主要內容

數據結構

List 集 合

Set集合

Collections

教學目標

能夠說出List集合特點

能夠說出常見的數據結構

能夠說出數組結構特點

能夠說出棧結構特點

能夠說出隊列結構特點

能夠說出單向鏈表結構特點

能夠說出Set集合的特點

能夠說出哈希表的特點

使用HashSet集合存儲自定義元素

能夠說出可變參數的格式

能夠使用集合工具類

能夠使用Comparator比較器進行排序

第一章 數據結構

2.1數據結構有什麼用？

當你用著java裡面的容器類很爽的時候，你有沒有想過，怎麼ArrayList就像一個無限擴充的數組，也好像鏈表之類 的。好用嗎？好用，這就是數據結構的用處，只不過你在不知不覺中使用了。

現實世界的存儲，我們使用的工具和建模。每種數據結構有自己的優點和缺點，想想如果Google的數據用的是數 組的存儲，我們還能方便地查詢到所需要的數據嗎？而算法，在這麼多的數據中如何做到最快的插入，查找，刪 除，也是在追求更快。

我們java是面向對象的語言，就好似自動檔轎車，C語言好似手動檔吉普。數據結構呢？是變速箱的工作原理。你 完全可以不知道變速箱怎樣工作，就把自動檔的車子從 A點 開到 B點，而且未必就比懂得的人慢。寫程序這件事， 和開車一樣，經驗可以起到很大作用，但如果你不知道底層是怎麼工作的，就永遠只能開車，既不會修車，也不能 造車。當然了，數據結構內容比較多，細細的學起來也是相對費功夫的，不可能達到一蹴而就。我們將常見的數據 結構：堆棧、隊列、數組、鏈表和紅黑樹 這幾種給大家介紹一下，作為數據結構的入門，瞭解一下它們的特點即可。

2.2常見的數據結構

數據存儲的常用結構有：棧、隊列、數組、鏈表和紅黑樹。我們分別來了解一下：

棧

棧：stack,又稱堆棧，它是運算受限的線性表，其限制是僅允許在標的一端進行插入和刪除操作，不允許在其 他任何位置進行添加、查找、刪除等操作。

簡單的說：採用該結構的集合，對元素的存取有如下的特點

先進後出（即，存進去的元素，要在後它後面的元素依次取出後，才能取出該元素）。例如，子彈壓進彈 夾，先壓進去的子彈在下面，後壓進去的子彈在上面，當開槍時，先彈出上面的子彈，然後才能彈出下面的 子彈。

棧的入口、出口的都是棧的頂端位置。

這裡兩個名詞需要注意：

壓棧：就是存元素。即，把元素存儲到棧的頂端位置，棧中已有元素依次向棧底方向移動一個位置。 彈棧：就是取元素。即，把棧的頂端位置元素取出，棧中已有元素依次向棧頂方向移動一個位置。

隊列

隊列：queue,簡稱隊，它同堆棧一樣，也是一種運算受限的線性表，其限制是僅允許在表的一端進行插入， 而在表的另一端進行刪除。

簡單的說，採用該結構的集合，對元素的存取有如下的特點：

先進先出（即，存進去的元素，要在後它前面的元素依次取出後，才能取出該元素）。例如，小火車過山 洞，車頭先進去，車尾後進去；車頭先出來，車尾後出來。

隊列的入口、出口各佔一側。例如，下圖中的左側為入口，右側為出口。

數組

數組:Array,是有序的元素序列，數組是在內存中開闢一段連續的空間，並在此空間存放元素。就像是一排出 租屋，有100個房間，從001到100每個房間都有固定編號，通過編號就可以快速找到租房子的人。

簡單的說,採用該結構的集合，對元素的存取有如下的特點： 查找元素快：通過索引，可以快速訪問指定位置的元素

增刪元素慢

指定索引位置增加元素：需要創建一個新數組，將指定新元素存儲在指定索引位置，再把原數組元素根 據索引，複製到新數組對應索引的位置。如下圖

指定索引位置刪除元素：需要創建一個新數組，把原數組元素根據索引，複製到新數組對應索引的位 置，原數組中指定索引位置元素不復制到新數組中。如下圖

鏈表

鏈表:linked list,由一系列結點node（鏈表中每一個元素稱為結點）組成，結點可以在運行時i動態生成。每個結點包括兩個部分：一個是存儲數據元素的數據域，另一個是存儲下一個結點地址的指針域。我們常說的 鏈表結構有單向鏈表與雙向鏈表，那麼這裡給大家介紹的是單向鏈表。

簡單的說，採用該結構的集合，對元素的存取有如下的特點：

多個結點之間，通過地址進行連接。例如，多個人手拉手，每個人使用自己的右手拉住下個人的左手，依次 類推，這樣多個人就連在一起了。

查找元素慢：想查找某個元素，需要通過連接的節點，依次向後查找指定元素增刪元素快：

增加元素：只需要修改連接下個元素的地址即可。

刪除元素：只需要修改連接下個元素的地址即可。

紅黑樹

二叉樹：binary tree ,是每個結點不超過2的有序樹（tree） 。

簡單的理解，就是一種類似於我們生活中樹的結構，只不過每個結點上都最多隻能有兩個子結點。

二叉樹是每個節點最多有兩個子樹的樹結構。頂上的叫根結點，兩邊被稱作“左子樹”和“右子樹”。

如圖：

我們要說的是二叉樹的一種比較有意思的叫做紅黑樹，紅黑樹本身就是一顆二叉查找樹，將節點插入後，該樹仍然 是一顆二叉查找樹。也就意味著，樹的鍵值仍然是有序的。

紅黑樹的約束:

1.節點可以是紅色的或者黑色的

2.根節點是黑色的

3.葉子節點(特指空節點)是黑色的

4.每個紅色節點的子節點都是黑色的

5.任何一個節點到其每一個葉子節點的所有路徑上黑色節點數相同

紅黑樹的特點:

速度特別快,趨近平衡樹,查找葉子元素最少和最多次數不多於二倍

第二章 List集合

我們掌握了Collection接口的使用後，再來看看Collection接口中的子類，他們都具備那些特性呢？

接下來，我們一起學習Collection中的常用幾個子類（ java.util.List 集合、 java.util.Set 集合）。

1.1 List接口介紹

java.util.List 接口繼承自 Collection 接口，是單列集合的一個重要分支，習慣性地會將實現了 List 接口的對 象稱為List集合。在List集合中允許出現重複的元素，所有的元素是以一種線性方式進行存儲的，在程序中可以通過 索引來訪問集合中的指定元素。另外，List集合還有一個特點就是元素有序，即元素的存入順序和取出順序一致。

看完API，我們總結一下：

List接口特點：

1.它是一個元素存取有序的集合。例如，存元素的順序是11、22、33。那麼集合中，元素的存儲就是按照11、

22、33的順序完成的）。

2.它是一個帶有索引的集合，通過索引就可以精確的操作集合中的元素（與數組的索引是一個道理）。

3.集合中可以有重複的元素，通過元素的equals方法，來比較是否為重複的元素。

tips:我們在基礎班的時候已經學習過List接口的子類java.util.ArrayList類，該類中的方法都是來自List中定義。

1.2List接口中常用方法

List作為Collection集合的子接口，不但繼承了Collection接口中的全部方法，而且還增加了一些根據元素索引來操作集合的特有方法，如下：

public void add(int index, E element) : 將指定的元素，添加到該集合中的指定位置上。

public E get(int index) :返回集合中指定位置的元素。

public E remove(int index) : 移除列表中指定位置的元素, 返回的是被移除的元素。

public E set(int index, E element) :用指定元素替換集合中指定位置的元素,返回值的更新前的元素。

List集合特有的方法都是跟索引相關，我們在基礎班都學習過，那麼我們再來複習一遍吧：

public class ListDemo {
public static void main(String[] args) {
// 創建List集合對象
List<String> list = new ArrayList<String>();
// 往 尾部添加 指定元素
list.add("圖圖");
list.add("小美");
list.add("不高興");
System.out.println(list);
// add(int index,String s) 往指定位置添加
list.add(1,"沒頭腦");
System.out.println(list);
// String remove(int index) 刪除指定位置元素 返回被刪除元素
// 刪除索引位置為2的元素
System.out.println("刪除索引位置為2的元素");
System.out.println(list.remove(2)); System.out.println(list);
// String set(int index,String s)
// 在指定位置 進行 元素替代（改）
// 修改指定位置元素
list.set(0, "三毛");
System.out.println(list);
// String get(int index) 獲取指定位置元素
// 跟size() 方法一起用 來 遍歷的
for(int i = 0;i<list.size();i++){ System.out.println(list.get(i));
}
//還可以使用增強for
for (String string : list) {
System.out.println(string);
}
}
}

第三章 List的子類

3.1ArrayList集合

java.util.ArrayList 集合數據存儲的結構是數組結構。元素增刪慢，查找快，由於日常開發中使用最多的功能為 查詢數據、遍歷數據，所以 ArrayList 是最常用的集合。

許多程序員開發時非常隨意地使用ArrayList完成任何需求，並不嚴謹，這種用法是不提倡的。

3.2 LinkedList集合

java.util.LinkedList 集合數據存儲的結構是鏈表結構。方便元素添加、刪除的集合。

LinkedList是一個雙向鏈表，那麼雙向鏈表是什麼樣子的呢，我們用個圖瞭解下

實際開發中對一個集合元素的添加與刪除經常涉及到首尾操作，而LinkedList提供了大量首尾操作的方法。這些方 法我們作為了解即可：

public void addFirst(E e) :將指定元素插入此列表的開頭。

public void addLast(E e) :將指定元素添加到此列表的結尾。

public E getFirst() :返回此列表的第一個元素。

public E getLast() :返回此列表的最後一個元素。

public E removeFirst() :移除並返回此列表的第一個元素。

public E removeLast() :移除並返回此列表的最後一個元素。

public E pop() :從此列表所表示的堆棧處彈出一個元素。

public void push(E e) :將元素推入此列表所表示的堆棧。

public boolean isEmpty() ：如果列表不包含元素，則返回true。

LinkedList是List的子類，List中的方法LinkedList都是可以使用，這裡就不做詳細介紹，我們只需要瞭解LinkedList的特有方法即可。在開發時，LinkedList集合也可以作為堆棧，隊列的結構使用。（瞭解即可）

方法演示：

public class LinkedListDemo {
public static void main(String[] args) {
 LinkedList<String> link = new LinkedList<String>();
//添加元素
link.addFirst("abc1"); link.addFirst("abc2"); link.addFirst("abc3"); 
System.out.println(link);
// 獲取元素
System.out.println(link.getFirst()); 
System.out.println(link.getLast());
// 刪除元素
System.out.println(link.removeFirst()); 
System.out.println(link.removeLast());
while (!link.isEmpty()) { //判斷集合是否為空
System.out.println(link.pop()); //彈出集合中的棧頂元素
}
System.out.println(link);
}
}

第四章 Set接口

java.util.Set 接口和 java.util.List 接口一樣，同樣繼承自 Collection 接口，它與 Collection 接口中的方 法基本一致，並沒有對 Collection 接口進行功能上的擴充，只是比 Collection 接口更加嚴格了。與 List 接口不 同的是， Set 接口中元素無序，並且都會以某種規則保證存入的元素不出現重複。

Set 集合有多個子類，這裡我們介紹其中的 java.util.HashSet 、 java.util.LinkedHashSet 這兩個集合。 tips:Set集合取出元素的方式可以採用：迭代器、增強for。

3.1 HashSet集合介紹

java.util.HashSet 是 Set 接口的一個實現類，它所存儲的元素是不可重複的，並且元素都是無序的(即存取順序 不一致)。 java.util.HashSet 底層的實現其實是一個 java.util.HashMap 支持，由於我們暫時還未學習，先做了 解。

HashSet 是根據對象的哈希值來確定元素在集合中的存儲位置，因此具有良好的存取和查找性能。保證元素唯一性 的方式依賴於： hashCode 與 equals 方法。

我們先來使用一下Set集合存儲，看下現象，再進行原理的講解:

public class HashSetDemo {
public static void main(String[] args) {
//創建 Set集合
HashSet<String> set = new HashSet<String>();
//添加元素
set.add(new String("cba"));
set.add("abc");
set.add("bac");
set.add("cba");
//遍歷
for (String name : set) { System.out.println(name);
}
}
}

輸出結果如下，說明集合中不能存儲重複元素：

cba
abc
 bac

2.2HashSet集合存儲數據的結構（哈希表）

什麼是哈希表呢？

在JDK1.8之前，哈希表底層採用數組+鏈表實現，即使用鏈表處理衝突，同一hash值的鏈表都存儲在一個鏈表裡。 但是當位於一個桶中的元素較多，即hash值相等的元素較多時，通過key值依次查找的效率較低。而JDK1.8中，哈 希表存儲採用數組+鏈表+紅黑樹實現，當鏈表長度超過閾值（8）時，將鏈表轉換為紅黑樹，這樣大大減少了查找 時間。

簡單的來說，哈希表是由數組+鏈表+紅黑樹（JDK1.8增加了紅黑樹部分）實現的，如下圖所示。

看到這張圖就有人要問了，這個是怎麼存儲的呢？

為了方便大家的理解我們結合一個存儲流程圖來說明一下：

總而言之，JDK1.8引入紅黑樹大程度優化了HashMap的性能，那麼對於我們來講保證HashSet集合元素的唯一， 其實就是根據對象的hashCode和equals方法來決定的。如果我們往集合中存放自定義的對象，那麼保證其唯一， 就必須複寫hashCode和equals方法建立屬於當前對象的比較方式。

2.3HashSet存儲自定義類型元素

給HashSet中存放自定義類型元素時，需要重寫對象中的hashCode和equals方法，建立自己的比較方式，才能保 證HashSet集合中的對象唯一

創建自定義Student類

public class Student {
private String name;
 private int age;
public Student() {
}
public Student(String name, int age) { this.name = name;
this.age = age;
}
public String getName() { return name;
}
public void setName(String name) { this.name = name;
}
public int getAge() { return age;
}
public void setAge(int age) { this.age = age;
}
@Override
public boolean equals(Object o) { if (this == o)
return true;
if (o == null || getClass() != o.getClass()) return false;
Student student = (Student) o; return age == student.age &&
Objects.equals(name, student.name);
}
@Override
public int hashCode() {
return Objects.hash(name, age);
}
}
public class HashSetDemo2 {
public static void main(String[] args) {
//創建集合對象\t該集合中存儲 Student類型對象HashSet<Student> stuSet = new HashSet<Student>();
//存儲
Student stu = new Student("于謙", 43);
stuSet.add(stu);
stuSet.add(new Student("郭德綱", 44));
stuSet.add(new Student("于謙", 43));
stuSet.add(new Student("郭麒麟", 23));
stuSet.add(stu);
for (Student stu2 : stuSet) {
System.out.println(stu2);
}
}
}
執行結果：
Student [name=郭德綱, age=44] Student [name=于謙, age=43] Student [name=郭麒麟, age=23]

2.3 LinkedHashSet

我們知道HashSet保證元素唯一，可是元素存放進去是沒有順序的，那麼我們要保證有序，怎麼辦呢？ 在HashSet下面有一個子類 java.util.LinkedHashSet ，它是鏈表和哈希表組合的一個數據存儲結構。 演示代碼如下:

public class LinkedHashSetDemo {
public static void main(String[] args) 
{ Set<String> set = new LinkedHashSet<String>();
 set.add("bbb");
set.add("aaa");
set.add("abc");
set.add("bbc");
Iterator<String> it = set.iterator(); 
while (it.hasNext()) {
System.out.println(it.next());
}
}
}
結果： bbb aaa abc bbc

1.9 可變參數

在JDK1.5之後，如果我們定義一個方法需要接受多個參數，並且多個參數類型一致，我們可以對其簡化成如下格 式：

修飾符 返回值類型 方法名(參數類型... 形參名){ }

其實這個書寫完全等價與

修飾符 返回值類型 方法名(參數類型[] 形參名){ }

只是後面這種定義，在調用時必須傳遞數組，而前者可以直接傳遞數據即可。

JDK1.5以後。出現了簡化操作。… 用在參數上，稱之為可變參數。

同樣是代表數組，但是在調用這個帶有可變參數的方法時，不用創建數組(這就是簡單之處)，直接將數組中的元素 作為實際參數進行傳遞，其實編譯成的class文件，將這些元素先封裝到一個數組中，在進行傳遞。這些動作都在編 譯.class文件時，自動完成了。

代碼演示：

public class ChangeArgs {
public static void main(String[] args) { int[] arr = { 1, 4, 62, 431, 2 };
int sum = getSum(arr); System.out.println(sum);
// 6 7 2 12 2121
// 求 這幾個元素和 6 7 2 12 2121
int sum2 = getSum(6, 7, 2, 12, 2121); System.out.println(sum2);
}
/*
* 完成數組 所有元素的求和 原始寫法
public static int getSum(int[] arr){ int sum = 0;
for(int a : arr){ sum += a;
}
return sum;
}
*/
//可變參數寫法
public static int getSum(int... arr) { int sum = 0;
for (int a : arr) { sum += a;
}
return sum;
}
}

tips: 上述add方法在同一個類中，只能存在一個。因為會發生調用的不確定性

注意：如果在方法書寫時，這個方法擁有多參數，參數中包含可變參數，可變參數一定要寫在參數列表的末 尾位置。

第五章 Collections

2.1常用功能

java.utils.Collections 是集合工具類，用來對集合進行操作。部分方法如下：

public static boolean addAll(Collection c, T… elements) :往集合中添加一些元素。

public static void shuffle(List<?> list) 打亂順序 :打亂集合順序。

public static void sort(List list) :將集合中元素按照默認規則排序。

public static void sort(List list，Comparator<? super T> ) :將集合中元素按照指定規則排 序。

代碼演示：

public class CollectionsDemo {
public static void main(String[] args) {
 ArrayList<Integer> list = new ArrayList<Integer>();
//原來寫法
//list.add(12);
//list.add(14);
//list.add(15);
//list.add(1000);
//採用工具類 完成 往集合中添加元素
Collections.addAll(list, 5, 222, 1，2); 
System.out.println(list);
//排序方法Collections.sort(list); System.out.println(list);
}
}
結果：
[5, 222, 1, 2]
[1, 2, 5, 222]

代碼演示之後 ，發現我們的集合按照順序進行了排列，可是這樣的順序是採用默認的順序，如果想要指定順序那該 怎麼辦呢？

我們發現還有個方法沒有講， public static void sort(List list，Comparator<? super T> ) :將集合中 元素按照指定規則排序。接下來講解一下指定規則的排列。

2.2 Comparator比較器

我們還是先研究這個方法

public static void sort(List list) :將集合中元素按照默認規則排序。

不過這次存儲的是字符串類型。

public class CollectionsDemo2 {
public static void main(String[] args) {
 ArrayList<String> list = new ArrayList<String>();
 list.add("cba");
list.add("aba");
list.add("sba");
list.add("nba");
//排序方法Collections.sort(list); System.out.println(list);
}
}

結果：

[aba, cba, nba, sba]

我們使用的是默認的規則完成字符串的排序，那麼默認規則是怎麼定義出來的呢？

說到排序了，簡單的說就是兩個對象之間比較大小，那麼在JAVA中提供了兩種比較實現的方式，一種是比較死板的 採用 java.lang.Comparable 接口去實現，一種是靈活的當我需要做排序的時候在去選擇的 java.util.Comparator 接口完成。

那麼我們採用的 public static void sort(List list) 這個方法完成的排序，實際上要求了被排序的類型 需要實現Comparable接口完成比較的功能，在String類型上如下：

public final class String implements java.io.Serializable, Comparable<String>, CharSequence {

String類實現了這個接口，並完成了比較規則的定義，但是這樣就把這種規則寫死了，那比如我想要字符串按照第 一個字符降序排列，那麼這樣就要修改String的源代碼，這是不可能的了，那麼這個時候我們可以使用

public static void sort(List list，Comparator<? super T> ) 方法靈活的完成，這個裡面就涉及到了 Comparator這個接口，位於位於java.util包下，排序是comparator能實現的功能之一,該接口代表一個比較器，比 較器具有可比性！顧名思義就是做排序的，通俗地講需要比較兩個對象誰排在前誰排在後，那麼比較的方法就是：

public int compare(String o1, String o2) ：比較其兩個參數的順序。

兩個對象比較的結果有三種：大於，等於，小於。

如果要按照升序排序， 則o1 小於o2，返回（負數），相等返回0，01大於02返回（正數） 如果要按照 降序排序 則o1 小於o2，返回（正數），相等返回0，01大於02返回（負數）

操作如下:

public class CollectionsDemo3 {
public static void main(String[] args) {
 ArrayList<String> list = new ArrayList<String>(); 
 list.add("cba");
list.add("aba");
list.add("sba");
list.add("nba");
//排序方法 按照第一個單詞的降序
Collections.sort(list, new Comparator<String>() {
@Override
public int compare(String o1, String o2) { return o2.charAt(0) ‐ o1.charAt(0);
}
});
System.out.println(list);
}
}

結果如下：

[sba, nba, cba, aba]

2.3簡述Comparable和Comparator兩個接口的區別。

Comparable：強行對實現它的每個類的對象進行整體排序。這種排序被稱為類的自然排序，類的compareTo方法 被稱為它的自然比較方法。只能在類中實現compareTo()一次，不能經常修改類的代碼實現自己想要的排序。實現 此接口的對象列表（和數組）可以通過Collections.sort（和Arrays.sort）進行自動排序，對象可以用作有序映射中的鍵或有序集合中的元素，無需指定比較器。

Comparator強行對某個對象進行整體排序。可以將Comparator 傳遞給sort方法（如Collections.sort或Arrays.sort），從而允許在排序順序上實現精確控制。還可以使用Comparator來控制某些數據結構（如有序set或 有序映射）的順序，或者為那些沒有自然順序的對象collection提供排序。

2.4練習

創建一個學生類，存儲到ArrayList集合中完成指定排序操作。

Student 初始類

public class Student{
private String name; 
private int age;
public Student() {
}
public Student(String name, int age) {
 this.name = name;
this.age = age;
}
public String getName() { return name;
}
public void setName(String name) { 
this.name = name;
}
public int getAge() {
return age;
}
public void setAge(int age) { this.age = age;
}
@Override
public String toString() { return "Student{" +
"name='" + name + '\\'' + ", age=" + age +
'}';
}
}

測試類：

public class Demo {
public static void main(String[] args) {
// 創建四個學生對象 存儲到集合中
ArrayList<Student> list = new ArrayList<Student>();
list.add(new Student("rose",18)); 
list.add(new Student("jack",16));
 list.add(new Student("abc",16)); 
 list.add(new Student("ace",17)); 
 list.add(new Student("mark",16));
/*
讓學生 按照年齡排序 升序
*/
Collections.sort(list);//要求 該list中元素類型 必須實現比較器Comparable接口
for (Student student : list) {
System.out.println(student);
}
}
}

發現，當我們調用Collections.sort()方法的時候 程序報錯了。

原因：如果想要集合中的元素完成排序，那麼必須要實現比較器Comparable接口。於是我們就完成了Student類的一個實現，如下：

public class Student implements Comparable<Student>{
....
@Override
public int compareTo(Student o) { 
return this.age‐o.age;//升序
}
}

再次測試，代碼就OK 了效果如下：

Student{name='jack', age=16} 
Student{name='abc', age=16} 
Student{name='mark', age=16} 
Student{name='ace', age=17} 
Student{name='rose', age=18}

2.5擴展

如果在使用的時候，想要獨立的定義規則去使用 可以採用Collections.sort(List list,Comparetor c)方式，自己定義規則：

Collections.sort(list, new Comparator<Student>() { 
@Override
public int compare(Student o1, Student o2) {
return o2.getAge()‐o1.getAge();//以學生的年齡降序
}
});

效果：

Student{name='rose', age=18} 
Student{name='ace', age=17} 
Student{name='jack', age=16} 
Student{name='abc', age=16} 
Student{name='mark', age=16}

如果想要規則更多一些，可以參考下面代碼：

Collections.sort(list, new Comparator<Student>() { 
@Override
public int compare(Student o1, Student o2) {
// 年齡降序
int result = o2.getAge()‐o1.getAge();//年齡降序
if(result==0){//第一個規則判斷完了 下一個規則 姓名的首字母 升序
result = o1.getName().charAt(0)‐o2.getName().charAt(0);
}
return result;
}
});

效果如下：

Student{name='rose', age=18} 
Student{name='ace', age=17} 
Student{name='abc', age=16} 
Student{name='jack', age=16} 
Student{name='mark', age=16}