Java基础集合框架学习(上)

初识基础框架

Java基础集合框架是Java编程语言中用于存储、管理和处理数据的一组核心接口和类的集合。
它提供了各种不同类型的数据结构，例如列表、集合、映射等，以及与这些数据结构相关的操作方法。
Java基础集合框架位于`java.util`包中，并在Java的标准库中提供。

Java基础集合框架的主要接口和类：

1. List 接口: 有序集合，可以包含重复元素。常见实现包括ArrayList、LinkedList 和 Vector。

2. Set 接口: 不包含重复元素的集合。常见实现包括HashSet、LinkedHashSet 和 TreeSet。

3. Map 接口: 键值对的集合，每个键映射到一个值。常见实现包括HashMap、LinkedHashMap 和 TreeMap。

4. Queue 接口: 用于表示队列数据结构，通常按照先进先出（FIFO）的顺序处理元素。常见实现包括LinkedList 和 PriorityQueue。

5. Deque 接口: 双端队列，可以从两端添加和删除元素。常见实现包括ArrayDeque 和 LinkedList。

6. Iterator 接口: 用于遍历集合中的元素。

7. Collections 类: 提供了一组静态方法，用于对集合进行操作，如排序、查找、反转等。

8. Arrays 类: 提供了一些静态方法，用于操作数组，如排序、查找等。

除了上述核心接口和类之外，还有一些其他实用类，如 BitSet、EnumSet、EnumMap 等，用于处理特定类型的数据结构。

基础集合框架为Java开发人员提供了灵活且高效的数据结构和操作方式，使得在处理不同类型的数据时更加方便和快速。不过需要注意的是，虽然基础集合框架在大多数情况下足够使用，但在某些特定场景下，可能需要使用更专门的集合库或自定义数据结构。

为什么使用集合框架

使用集合框架（Collection Framework）在Java编程中有许多好处，它提供了一种方便、高效、可重用的方式来管理和操作数据。以下是使用集合框架的一些主要理由：

1. 数据存储和管理：集合框架提供了多种数据结构，如列表、集合、映射等，使得存储和管理数据变得更加简单。开发人员无需自己实现复杂的数据结构，而是可以直接使用标准库中提供的集合类。

2. 高效的数据操作：集合框架中的类和方法经过优化，可以高效地执行各种数据操作，如查找、插入、删除等。这些操作的底层实现通常使用了合适的数据结构，以提供快速的性能。

3. 代码重用：通过使用集合框架，可以避免重复编写数据结构和操作方法，从而提高代码的重用性。开发人员可以专注于业务逻辑而不必关心底层数据管理。

4. 类型安全：集合框架在设计时考虑了类型安全性，因此可以确保在编译时捕获一些潜在的类型错误，减少运行时异常的可能性。

5. 迭代和遍历：集合框架提供了统一的迭代和遍历机制，使得遍历集合中的元素变得简单。开发人员可以使用迭代器或增强的 for 循环来遍历集合。

6. 线程安全性：在多线程环境下，某些集合类（如 ConcurrentHashMap 和 CopyOnWriteArrayList）提供了线程安全的实现，可以帮助开发人员处理并发访问的问题。

7. 标准化接口：Java的集合框架使用了统一的接口和类命名规范，这使得开发人员可以轻松地切换和替换不同的集合实现，从而提高了代码的灵活性和可维护性。

8. 算法和操作的封装：集合框架中提供了许多常用的算法和操作，如排序、查找、过滤等，这些操作可以直接应用于集合，无需开发人员手动实现。

集合框架为Java开发人员提供了一种强大的工具，帮助他们更轻松地处理和管理数据，提高了代码的效率、可读性和可维护性。
无论是小规模的项目还是大规模的应用程序，集合框架都是编程中不可或缺的重要组成部分。

集合框架的继承关系

Java集合框架的类和接口之间存在复杂的继承关系和层次结构。
以下是Java集合框架中一些主要的类和接口及其继承关系的概述

1. Collection 接口：是所有集合类的根接口，它定义了基本的集合操作方法，如添加、删除、查找、遍历等。它派生了两个子接口：List 和 Set。

   • List 接口：表示有序的集合，可以包含重复元素。常见实现有 ArrayList、LinkedList 和 Vector。

   • Set 接口：表示不包含重复元素的集合。常见实现有 HashSet、LinkedHashSet 和 TreeSet。

2. Map 接口：表示键值对的集合，每个键映射到一个值。常见实现有 HashMap、LinkedHashMap 和 TreeMap。

3. Queue 接口：表示队列数据结构，通常按照先进先出（FIFO）的顺序处理元素。常见实现有 LinkedList 和 PriorityQueue。

4. Deque 接口：表示双端队列，可以从两端添加和删除元素。常见实现有 ArrayDeque 和 LinkedList。

5. Iterator 接口：用于遍历集合中的元素，是 Collection 接口的成员之一。

6. ListIterator 接口：是 Iterator 的子接口，提供了在 List 中双向遍历的能力。

7. Collections 类：是一个工具类，提供了各种静态方法用于对集合进行操作，如排序、查找、反转等。

8. Arrays 类：是一个工具类，提供了静态方法用于操作数组，如排序、查找等。

9. AbstractCollection 抽象类：实现了 Collection 接口中的大部分方法，为其他集合类提供了共享的基本实现。

10. AbstractList、AbstractSet 和 AbstractMap 抽象类：分别实现了 List、Set 和 Map 接口中的一些通用方法，为具体的实现类提供了基础。

11. AbstractSequentialList 抽象类：实现了 List 接口，为线性数据结构提供了基本实现。

12. AbstractQueue 抽象类：实现了 Queue 接口，为队列数据结构提供了基本实现。

这只是集合框架中一部分类和接口的继承关系，实际上还有许多其他类和接口在框架中扮演了重要的角色。

ArrayList入门案例

import java.util.ArrayList;public class ArrayListExample {public static void main(String[] args) {// 创建一个 ArrayList，存储整数类型的数据ArrayList<Integer> numbers = new ArrayList<>();// 添加元素到 ArrayListnumbers.add(10);numbers.add(20);numbers.add(30);numbers.add(40);numbers.add(50);// 打印 ArrayList 中的元素System.out.println("ArrayList 中的元素: " + numbers);// 使用 for 循环遍历 ArrayListSystem.out.println("使用 for 循环遍历 ArrayList:");for (int i = 0; i < numbers.size(); i++) {System.out.println(numbers.get(i));}// 使用增强的 for 循环遍历 ArrayListSystem.out.println("使用增强的 for 循环遍历 ArrayList:");for (Integer num : numbers) {System.out.println(num);}// 删除元素numbers.remove(2); // 删除索引为2的元素（30）// 打印更新后的 ArrayListSystem.out.println("更新后的 ArrayList: " + numbers);}
}

在这个案例中，我们首先创建了一个存储整数的ArrayList。然后，我们使用add()方法向列表中添加一些元素。接下来，我们展示了两种不同的遍历方式：使用传统的for循环和增强的for循环。

最后，我们使用remove()方法删除了列表中索引为2的元素（即30），并打印出更新后的ArrayList。

这个简单的案例演示了ArrayList的基本用法，包括创建、添加、遍历和删除元素。

单元测试和增删改查

单元测试（Unit Testing）是软件开发中的一种测试方法，用于测试软件中的最小可测试单元（通常是函数、方法或类）是否按照预期工作。在数据库操作中的增加（Create）、删除（Delete）、更新（Update）和查询（Retrieve）操作通常也需要进行单元测试，以确保这些操作在各种情况下都能正确地执行。

以下是一个简单的示例，演示了如何对数据库操作的增删改查功能进行单元测试：

假设我们有一个名为UserDao的类，负责与用户数据进行交互，提供增删改查操作。我们使用JUnit作为单元测试框架，来编写测试用例。

import org.junit.Before;
import org.junit.Test;
import static org.junit.Assert.*;
import java.util.List;public class UserDaoTest {private UserDao userDao;@Beforepublic void setUp() {// 在每个测试方法运行之前初始化 UserDaouserDao = new UserDao();}@Testpublic void testCreateUser() {User newUser = new User("John Doe", 25);assertTrue(userDao.createUser(newUser));}@Testpublic void testUpdateUser() {User existingUser = userDao.getUserById(1); // 假设数据库中已经有一个id为1的用户assertNotNull(existingUser);existingUser.setName("Jane Smith");assertTrue(userDao.updateUser(existingUser));}@Testpublic void testDeleteUser() {int userIdToDelete = 2; // 假设数据库中已经有一个id为2的用户assertTrue(userDao.deleteUser(userIdToDelete));}@Testpublic void testGetUserById() {User retrievedUser = userDao.getUserById(3); // 假设数据库中已经有一个id为3的用户assertNotNull(retrievedUser);}@Testpublic void testGetAllUsers() {List<User> users = userDao.getAllUsers();assertNotNull(users);assertTrue(users.size() > 0);}
}

在上述示例中，我们编写了几个测试用例来测试UserDao类中的增删改查功能。每个测试方法使用@Test注解进行标记，表示这是一个测试方法。@Before注解表示在每个测试方法之前执行的代码，用于初始化测试环境。

在每个测试方法中，我们使用JUnit的断言方法（如assertTrue、assertNotNull等）来验证操作的结果是否符合预期。如果测试方法中的断言失败，则测试将失败，表明代码可能存在问题。

通过编写这些单元测试，我们可以在开发过程中快速发现和解决潜在的问题，确保数据库操作的增删改查功能能够正确地工作。

单元测试的注意事项

单元测试在软件开发中扮演着重要的角色，可以帮助开发人员快速发现和解决问题，确保代码的质量和可靠性。以下是一些单元测试的注意事项：

1. 测试覆盖率：确保测试用例覆盖到代码中的各个分支和情况，以最大程度地减少未测试代码的存在。使用代码覆盖率工具来帮助确定测试覆盖范围。

2. 独立性：每个测试用例应该是相互独立的，不应该依赖于其他测试的执行顺序或结果。这有助于定位问题和调试失败的测试。

3. 可重复性：测试应该是可重复运行的，不受外部环境的影响。避免依赖外部资源或随机性因素，确保测试结果始终一致。

4. 清晰明了的命名：给测试用例和测试方法起有意义的名字，以便于理解测试的目的和预期结果。良好的命名可以提高测试代码的可读性。

5. 小而专注的测试：每个测试用例应该专注于测试一个特定功能或场景。避免一个测试方法测试过多的功能，以保持测试的可维护性和清晰性。

6. 模拟和假设：在测试中，可能需要模拟外部依赖或假设某些条件成立。使用模拟框架或工具来创建虚拟对象，以便进行更有效的测试。

7. 异常测试：确保测试代码能够正确地处理和捕获预期的异常情况。这有助于验证代码在异常情况下的行为是否符合预期。

8. 持续集成：将单元测试集成到持续集成（CI）流程中，确保每次代码提交都会自动运行测试，及时发现问题并防止引入新的错误。

9. 定期维护：随着代码的演进，确保及时更新和维护测试代码，以适应代码的变化和需求的变化。

10. 性能测试：虽然单元测试主要关注功能的正确性，但在适当的情况下，也可以考虑添加性能测试，以确保代码在负载和压力下的表现。

11. 测试文档：为每个测试用例编写清晰的文档，描述测试的目的、输入、预期结果以及其他必要信息。这有助于其他开发人员理解和维护测试。

12. 版本控制：将测试代码与应用代码一起放入版本控制系统，确保测试代码与应用代码保持同步。

LinkedList入门案例

以下是一个使用简单的入门案例，演示了如何创建一个LinkedList、添加元素、遍历列表以及删除元素的基本操作：

import java.util.LinkedList;public class LinkedListExample {public static void main(String[] args) {// 创建一个 LinkedList，存储字符串类型的数据LinkedList<String> names = new LinkedList<>();// 添加元素到 LinkedListnames.add("Alice");names.add("Bob");names.add("Charlie");names.add("David");names.add("Eve");// 打印 LinkedList 中的元素System.out.println("LinkedList 中的元素: " + names);// 使用 for 循环遍历 LinkedListSystem.out.println("使用 for 循环遍历 LinkedList:");for (int i = 0; i < names.size(); i++) {System.out.println(names.get(i));}// 使用增强的 for 循环遍历 LinkedListSystem.out.println("使用增强的 for 循环遍历 LinkedList:");for (String name : names) {System.out.println(name);}// 删除元素names.remove(2); // 删除索引为2的元素（Charlie）// 打印更新后的 LinkedListSystem.out.println("更新后的 LinkedList: " + names);}
}

在这个案例中，我们首先创建了一个存储字符串的LinkedList。然后，我们使用add()方法向列表中添加一些元素。接下来，我们展示了两种不同的遍历方式：使用传统的for循环和增强的for循环。

最后，我们使用remove()方法删除了列表中索引为2的元素（即"Charlie"），并打印出更新后的LinkedList。

这个简单的案例演示了LinkedList的基本用法，包括创建、添加、遍历和删除元素。LinkedList通常在需要频繁地在列表中进行插入和删除操作时比较有用，因为它支持高效的插入和删除操作。

ArrayList底层是数组

ArrayList的底层实现确实是一个数组（Array）。

ArrayList是基于数组实现的动态数组，它提供了自动扩容的功能，使得在添加或删除元素时能够高效地调整数组的大小。

当你创建一个ArrayList时，实际上是创建了一个对象，该对象内部包含了一个数组来存储元素。当添加元素时，如果数组已满，ArrayList会自动创建一个更大的数组，并将旧数组中的元素复制到新数组中，从而实现自动扩容。这种机制使得ArrayList能够灵活地处理不同大小的数据集合。

尽管ArrayList的底层是数组，但它隐藏了数组的很多细节，提供了一组方便的方法来进行元素的添加、删除、查找等操作。ArrayList还提供了动态调整数组大小的功能，使得开发人员无需手动管理数组的大小和内存分配。

由于底层是数组，ArrayList在进行插入和删除操作时可能涉及元素的移动，这可能会影响性能。
在需要频繁进行插入和删除操作的场景中，可能需要考虑其他数据结构，如LinkedList，以获得更好的性能。

LinkedList底层是链表

LinkedList的底层实现确实是一个链表（Linked List）。

LinkedList是一种双向链表的数据结构，它由一系列的节点组成，每个节点包含了元素本身以及指向前一个节点和后一个节点的引用。

当你创建一个LinkedList时，实际上是创建了一个链表对象，该对象内部维护了链表的头节点和尾节点以及其他必要的信息。在LinkedList中，添加和删除元素的操作非常高效，因为只需要修改节点之间的引用关系，而不需要像数组那样进行元素的移动。

LinkedList适用于需要频繁在中间位置插入和删除元素的场景，因为它的插入和删除操作在平均情况下是O(1)的时间复杂度。然而，需要注意的是，由于每个节点都需要额外的内存空间来存储引用，所以在内存使用方面可能会比ArrayList更高一些。

LinkedList的底层实现是一个双向链表，它提供了高效的插入和删除操作，适用于特定的使用场景。在选择使用ArrayList还是LinkedList时，需要根据具体的需求和性能要求进行权衡。

ArrayList和LinkedList选型

在选择使用ArrayList还是LinkedList时，需要根据你的具体需求和使用场景进行权衡。以下是ArrayList和LinkedList的一些特点和适用场景，可以帮助你做出选择：

ArrayList：

1. 随机访问效率高：ArrayList基于数组实现，因此支持随机访问（通过索引访问元素）非常高效，时间复杂度为O(1)。

2. 读取操作效率高：对于频繁读取元素的场景，ArrayList通常比LinkedList更快，因为不涉及节点间的引用操作。

3. 内存使用较少：由于不需要存储额外的引用节点，ArrayList在内存使用上通常比LinkedList更少。

4. 元素迭代效率高：对ArrayList进行迭代操作时（如使用增强的for循环），由于数据在内存中是连续存储的，效率较高。

使用ArrayList进行频繁的读取操作和随机访问：

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;public class ArrayListExample {public static void main(String[] args) {List<String> names = new ArrayList<>();names.add("Alice");names.add("Bob");names.add("Charlie");names.add("David");names.add("Eve");// 频繁读取和随机访问System.out.println("第二个名字：" + names.get(1));System.out.println("名字列表：" + names);}
}

在这两个示例中，ArrayList适用于频繁的读取操作和随机访问，因为它可以通过索引高效地访问元素。而LinkedList适用于频繁的插入和删除操作，因为它能够高效地在列表中插入和删除元素。

请注意，这只是简单的示例，实际情况可能更加复杂。在选择ArrayList还是LinkedList时，需要根据实际需求和数据操作的特点来权衡利弊。

LinkedList：

1. 插入和删除效率高：LinkedList在插入和删除操作（尤其是在列表中间位置）上非常高效，时间复杂度为O(1)。这使得LinkedList在频繁进行插入和删除操作的场景中更有优势。

2. 内存分配灵活：由于LinkedList是基于链表实现的，它可以动态调整内存分配，不需要像ArrayList那样提前指定容量。

3. 迭代器操作效率高：在使用迭代器遍历列表时，LinkedList由于直接操作节点引用，可以在某些情况下比ArrayList更快。

4. 不适合随机访问：LinkedList的随机访问效率较低，因为需要通过节点引用逐个访问，时间复杂度为O(n)。

使用LinkedList进行频繁的插入和删除操作：

import java.util.LinkedList;
import java.util.List;public class LinkedListExample {public static void main(String[] args) {List<String> names = new LinkedList<>();names.add("Alice");names.add("Bob");names.add("David");// 在第二个位置插入元素names.add(1, "Charlie");System.out.println("插入后的名字列表：" + names);// 删除第一个元素names.remove(0);System.out.println("删除后的名字列表：" + names);}
}

综上所述，如果你需要频繁进行随机访问、读取操作或迭代操作，而且内存使用较为关键，那么ArrayList可能更适合。

如果你需要频繁进行插入和删除操作，或者希望内存分配更灵活，那么LinkedList可能更合适。

需要根据具体的场景和需求进行选择，有时也可以结合使用不同的集合类来充分发挥各自的优势。

ArrayList存放DOG对象

下面是一个简单的示例代码，展示了如何使用ArrayList存放四条狗（Dog对象）：

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;class Dog {private String name;public Dog(String name) {this.name = name;}public String getName() {return name;}@Overridepublic String toString() {return "Dog{" +"name='" + name + '\'' +'}';}
}public class ArrayListDogExample {public static void main(String[] args) {// 创建一个存放Dog对象的ArrayListList<Dog> dogs = new ArrayList<>();// 添加四条狗dogs.add(new Dog("Buddy"));dogs.add(new Dog("Max"));dogs.add(new Dog("Charlie"));dogs.add(new Dog("Lucy"));// 遍历并打印狗的名字System.out.println("存放的狗的名字：");for (Dog dog : dogs) {System.out.println(dog.getName());}}
}

在这个示例中，我们首先定义了一个简单的Dog类，它具有一个name属性和相关的构造方法和方法。
然后，我们创建了一个ArrayList来存放Dog对象，并向其中添加了四条狗。
最后，我们遍历ArrayList，打印出每条狗的名字。
这个示例展示了如何使用ArrayList存放自定义对象，以后可以根据需要进行修改和扩展。