一文读懂Java集合类和集合接口底层原理和应用场景_Java教程

一文读懂Java集合类和集合接口底层原理和应用场景

2024-02-24 19:15学为先编程 Java教程

Java中的集合框架提供了多种集合类和接口，其中包括Collection接口、List接口以及ArrayList和LinkedList这两个具体的实现类。让我们逐步介绍它们的遍历和常用方法，并探讨它们的底层原理和应用场景。

一文读懂Java集合类和集合接口底层原理和应用场景

首先，我们需要了解它们之间的关系，具体如下图。

一文读懂Java集合类和集合接口底层原理和应用场景

其次，我们来详细讲解每一个接口和实现类的用法。

List是一个接口，它定义了一组有序集合（也称为序列）的行为。List接口的主要实现类包括ArrayList和LinkedList。

List (接口)：

定义了操作有序集合（列表）的常用方法，如add(), remove(), get(), size()等。

是Java Collections Framework的一部分。

ArrayList (类)：

是List接口的一个具体实现。

基于数组结构，因此具有快速的随机访问性能（get(int index)）。

当添加或删除元素时，可能需要重新分配数组的大小，这通常是一个相对昂贵的操作。

不是线程安全的。

LinkedList (类)：

也是List接口的一个具体实现。

基于双向链表结构，因此具有快速的插入和删除操作性能，尤其是在列表的开头和结尾。

随机访问性能较差（get(int index)），因为需要遍历链表来找到指定位置的元素。

不是线程安全的。

Collection接口和List接口

Collection接口是Java集合框架中最基本的接口，定义了一些通用的方法，如添加、删除、遍历等。List接口则是Collection接口的子接口，它表示一个有序的集合，允许重复元素。

下面是Collection接口和List接口中一些常用的方法：

// Collection接口方法
boolean add(E element);          // 向集合中添加元素
boolean remove(Object element);  // 从集合中移除指定元素
boolean contains(Object element);// 判断集合中是否包含指定元素
int size();                      // 返回集合的大小
void clear();                    // 清空集合
Iterator<E> iterator();          // 返回用于迭代集合的迭代器

// List接口方法
void add(int index, E element);   // 在指定索引位置插入元素
E get(int index);                 // 获取指定索引位置的元素
E set(int index, E element);      // 修改指定索引位置的元素
E remove(int index);              // 移除指定索引位置的元素
int indexOf(Object element);      // 返回指定元素的第一个索引
int lastIndexOf(Object element);  // 返回指定元素的最后一个索引
ListIterator<E> listIterator();   // 返回用于迭代列表的列表迭代器

ArrayList和LinkedList

ArrayList和LinkedList都实现了List接口，但它们在底层的实现和应用场景上有所区别。

ArrayList

ArrayList基于动态数组实现，它使用数组来存储元素。以下是ArrayList的一些特点：

内部使用数组实现，可以根据需要自动扩容。
支持快速随机访问，通过索引可以直接访问元素。
插入和删除元素的效率较低，涉及到元素的移动和数组的调整。

由于ArrayList支持快速随机访问，适合于需要经常访问元素的场景，但对于频繁的插入和删除操作，性能较差。

LinkedList

LinkedList基于双向链表实现，它使用节点(Node)来存储元素。以下是LinkedList的一些特点：

内部使用双向链表实现，每个节点都包含前一个节点和后一个节点的引用。
插入和删除元素的效率较高，仅涉及节点的调整，不需要移动元素。
不支持快速随机访问，需要从头或尾开始遍历链表。

由于LinkedList的插入和删除操作效率较高，适合于频繁的插入和删除操作的场景，但对于需要快速随机访问元素的场景，性能较差。

遍历集合

无论是ArrayList还是LinkedList，我们都可以使用迭代器或循环来遍历集合中的元素。

使用迭代器遍历集合的示例代码如下：

List<String> list = new ArrayList<>();
list.add("Apple");
list.add("Banana");
list.add("Orange");

Iterator<String> iterator = list.iterator();
while (iterator.hasNext()) {
    String element = iterator.next();
    System.out.println(element);
}

使用循环遍历集合的示例代码如下：

List<String> list = new ArrayList<>();
list.add("Apple");
list.add("Banana");
list.add("Orange");

for (String element:  : list) {
    System.out.println(element);
}

以上示例代码将输出集合中的每个元素。

应用场景

ArrayList适用于需要频繁访问元素、根据索引进行快速查找的场景。例如，需要对数据进行随机访问、排序或二分查找等操作时，ArrayList是一个不错的选择。
LinkedList适用于需要频繁插入、删除元素的场景。例如，需要实现一个队列或栈数据结构时，LinkedList能够提供高效的插入和删除操作。
在某些情况下，如果需要使用List接口的功能，并且对性能要求不是特别高，可以根据具体场景选择使用ArrayList或LinkedList。

需要注意的是，以上是一些典型的应用场景，实际应用中需要根据具体需求和性能要求来选择合适的集合类。