在前面的小节中，我们学习了数组，本小节学习的集合同样用于存放一组数据，我们将学习什么是集合、集合的应用场景 ，在应用场景部分我们将对比 Java 数组与集合的区别，还将系统介绍 Java 集合的架构，也将结合实例来讲解集合的实际应用。
1. 什么是集合
在计算机科学中，集合是一组可变数量的数据项（也可能为 0 个）的组合，这些数据可能共享某些特征，需要以某种操作方式一起进行操作。
Java 中集合主要分为java.util.Collection和java.util.Map两大接口。
下图描绘了 Java 集合的框架：
Tips： 图表最下方的ArrayList、LinkedList、HashSet以及HashMap都是常用实现类，本小节将介绍具体使用。
1.1 Collection
java.util.Collection接口的实现可用于存储 Java 对象。例如，学校所有学生可以视为一个Collection。
Collection又可以分为三个子接口，分别是：
List：序列，必须按照顺序保存元素，因此它是有序的，允许重复；Queue：队列，按照排队规则来确定对象产生的顺序，有序，允许重复；Set：集，不能重复。
1.2 Map
java.util.Map接口的实现可用于表示“键”（key）和“值”（value）对象之间的映射。一个映射表示一组“键”对象，其中每一个“键”对象都映射到一个“值”对象。因此可以通过键来查找值。例如，每一个学生都有他自己的账户积分，这个关联关系可以用Map来表示。
2. 集合的应用场景
2.1 数组与集合
在介绍集合的应用场景之前，我们先来看看数组和集合的对比。
我们知道数组和集合都用于存放一组数据，但数组的容量是固定大小的，而集合的容量是动态可变的；对于可存放的数据类型，数组既可以存放基本数据类型又可以存放引用数据类型，而集合只能存放引用数据类型，基本数据类型需要转换为对应的包装类才能存放到集合当中。
2.2 集合应用场景
- 无法预测存储数据的数量：由于数组容量是固定大小，因此使用集合存储动态数量的数据更为合适；
- 同时存储具有一对一关系的数据：例如存储学生的积分，为了方便检索对应学生的积分，可使用Map将学生的uid和对应的积分进行一对一关联；
- 数据去重：使用数组实现需要遍历，效率低，而Set集合本身就具有不能重复的特性；
- 需要数据的增删：使用数组实现增删操作需要遍历、移动数组中元素，如果操作频繁会导致效率降低。
3. List 集合
3.1 概念和特性
List 是元素有序并且可以重复的集合，称之为序列。序列可以精确地控制每个元素的插入位置或删除某个位置的元素。通过前面的学习，我们知道List是Collection的一个子接口，它有两个主要实现类，分别为ArrayList（动态数组）和LinkedList（链表）。
3.2 ArrayList 实现类
ArrayList 可以理解为动态数组，它的容量可以动态增长。当添加元素时，如果发现容量已满，会自动扩容为原始大小的 1.5 倍。
3.2.1 构造方法
ArrayList()：构造一个初始容量为 10 的空列表；ArrayList(int initialCapacity)：构造一个指定容量的空列表；ArrayList(Collection<? extends E> c)：构造一个包含指定集合元素的列表，其顺序由集合的迭代器返回。
在代码中，我们可以这样实例化ArrayList对象：
// 无参构造实例化，初始容量为10 List arrayList1 = new ArrayList(); // 实例化一个初始容量为20的空列表 List arrayList2 = new ArrayList(20); // 实例化一个集合元素为 arrayList2 的列表（由于 arrayList2 为空列表，因此其实例化的对象也为空列表） List arrayList3 = new ArrayList(arrayList2);
3.2.2 常用成员方法
void add(E e)：将指定的元素追加到此列表的末尾；
void add(int index, E element)：将指定的元素插入此列表中的指定位置；
E remove(int index)：删除此列表中指定位置的元素；
boolean remove(Object o)：如果存在指定元素，则从该列表中删除第一次出现的该元素；
void clear()：从此列表中删除所有元素；
E set(int index, E element)：用指定的元素替换此列表中指定位置的元素；
E get(int index)：返回此列表中指定位置的元素；
boolean contains(Object o)：如果此列表包含指定的元素，则返回 true，否则返回 false；
int size()：返回该列表中元素的数量；
Object[] toArray()：以正确的顺序（从第一个元素到最后一个元素）返回一个包含此列表中所有元素的数组。
3.3 实例
3.3.1 新增元素
请查看如下实例：
import java.util.ArrayList; import java.util.List; public class ArrayListDemo1 { public static void main(String[] args) { // 实例化一个空列表 List arrayList = new ArrayList(); for (int i = 0; i < 5; i ++) { // 将元素 i 追加到列表的末尾 arrayList.add(i); // 打印列表内容 System.out.println(arrayList); } } }
运行结果：
1. [0] 2. [0, 1] 3. [0, 1, 2] 4. [0, 1, 2, 3] 5. [0, 1, 2, 3, 4]
代码中，首先实例化了一个ArrayList对象，然后使用 for 循环语句循环 5 次，每次都向arrayList对象中追加变量i，并打印列表内容，运行结果清晰的展示了每次新增元素的过程。
Tips：由于
ArrayList的父类AbstractCollection重写了toString()方法，因此直接打印列表，可以直观地展示出列表中的元素。
3.3.2 泛型初识
Tips：泛型（Genericity）**将在下一小节详细介绍，此处我们只简要介绍一下泛型以及其使用方法。如果你比较了解泛型，可直接跳过此知识点。
如果你使用IDEA编写如上代码，将会有下图所示的 3 处黄色警告：
既然IDE有了警告，我们就尝试来解决一下，将鼠标光标放置到警告处，会提示“Unchecked call to ‘add(E)’ as a member of raw type ‘java.util.List’ ”，这是IDE的泛型检查，可点击Try to generify 'ArrayListDemo1.java'按钮：
此时会出现一个Generify的弹窗，直接点击Refactor按钮：
代码变成了下图所示的样子，那 3 处警告被成功消除了：
我们观察到代码第 8 行的List类型后面多了一对尖括号“<>”，<>里面是 Java 的包装类型Integer，在ArrayList类型后面也多了一对尖括号，这里的<>中承载的就是 Java 的泛型的类型参数，它表示arrayList对象用于存放Integer类型的数据。这样的目的和好处这里不详细展开讨论，本小节我们只需知道这样做就可以消除IDEA的警告即可。
由于前面List已经指定了泛型的参数类型为Integer，后面的ArrayList就不需要再重复指定了。当然你也可以这样写（但是没必要）：
List<Integer> arrayList = new ArrayList<Integer>();
同理，如果你想向arrayList存放String类型的元素，只需将<Integer>改为<String>，我们再来看一个实例：
import java.util.ArrayList; import java.util.List; public class ArrayListDemo2 { public static void main(String[] args) { // 实例化一个空列表 List<String> arrayList = new ArrayList<>(); // 将字符串元素 Hello 追加到此列表的末尾 arrayList.add("Hello"); // 将字符串元素 World 追加到此列表的末尾 arrayList.add("World"); // 打印列表 System.out.println(arrayList); // 将字符串元素 Java 插入到此列表中的索引为 1 的位置 arrayList.add(1, "Java"); // 打印列表 System.out.println(arrayList); } }
运行结果：
1. [Hello, World] 2. [Hello, Java, World]
代码中，首先实例化了一个ArrayList的对象，调用了两次add(E e)方法，依次向列表尾部插入了Hello和World元素，列表中元素为[Hello, World]，此时调用add(int index, E element)方法，将字符串元素 Java 插入到此列表中的索引为 1 的位置，因此列表中的元素为[Hello, Java, World]。
3.3.3 删除元素
请查看如下实例：
import java.util.ArrayList; import java.util.List; public class ArrayListDemo3 { public static void main(String[] args) { // 实例化一个空列表 List<String> arrayList = new ArrayList<>(); // 将字符串元素 Hello 追加到此列表的末尾 arrayList.add("Hello"); // 将字符串元素 World 追加到此列表的末尾 arrayList.add("World"); // 将字符串元素 Hello 追加到此列表的末尾 arrayList.add("Hello"); // 将字符串元素 Java 追加到此列表的末尾 arrayList.add("Java"); // 打印列表 System.out.println(arrayList); // 删除此列表中索引位置为 3 的元素 arrayList.remove(3); // 打印列表 System.out.println(arrayList); // 删除此列表中第一次出现的 Hello 元素 arrayList.remove("Hello"); System.out.println(arrayList); } }
运行结果：
1. [Hello, World, Hello, Java] 2. [Hello, World, Hello] 3. [World, Hello]
代码中，我们首先添加了 4 个字符串元素，列表内容为[Hello, World, Hello, Java]，然后调用remove(int index)方法删除了索引位置为 3 的元素（即Java），此时列表内容为[Hello, World, Hello] ，再次调用remove(Object o)方法，删除了列表中第一次出现的Hello元素，此时列表内容为[World, Hello]。
3.3.4 修改元素
可使用set()方法修改列表中元素，实例如下：
import java.util.ArrayList; import java.util.List; public class ArrayListDemo4 { public static void main(String[] args) { // 实例化一个空列表 List<String> arrayList = new ArrayList<>(); arrayList.add("Hello"); // 将字符串元素 World 追加到此列表的末尾 arrayList.add("World"); // 打印列表 System.out.println(arrayList); // 用字符串元素 Hello 替换此列表中索引位置为 1 的元素 arrayList.set(1, "Java"); System.out.println(arrayList); } }
运行结果：
1. [Hello, World] 2. [Hello, Java]
3.3.5 查询元素
可使用get()方法来获取列表中元素，实例如下：
import java.util.ArrayList; import java.util.List; public class ArrayListDemo5 { public static void main(String[] args) { // 实例化一个空列表 List<String> arrayList = new ArrayList<String>(); arrayList.add("Hello"); arrayList.add("Immoc"); for (int i = 0; i < arrayList.size(); i ++) { System.out.println("索引位置" + i + "的元素为" + arrayList.get(i)); } } }
运行结果：
索引位置0的元素为Hello 索引位置1的元素为Immoc
我们在使用for循环遍历列表的时候，让限定条件为i < arrayList.size();，size()方法可获取该列表中元素的数量。
3.2.7 自定义类的常用操作
请查看如下实例：
import java.util.ArrayList; import java.util.List; public class ArrayListDemo6 { static class MybjStudent { private String nickname; private String position; public MybjStudent() { } public MybjStudent(String nickname, String position) { this.setNickname(nickname); this.setPosition(position); } public String getNickname() { return nickname; } public void setNickname(String nickname) { this.nickname = nickname; } public String getPosition() { return position; } public void setPosition(String position) { this.position = position; } @Override public String toString() { return "MybjStudent{" + "nickname='" + nickname + '\'' + ", position='" + position + '\'' + '}'; } } public static void main(String[] args) { // 实例化一个空列表 List<MybjStudent> arrayList = new ArrayList<>(); // 实例化3个学生对象 MybjStudent mybjStudent1 = new MybjStudent("Colorful", "服务端工程师"); MybjStudent mybjStudent2 = new MybjStudent("Lillian", "客户端工程师"); MybjStudent mybjStudent3 = new MybjStudent("小张", "架构师"); // 新增元素 arrayList.add(mybjStudent1); arrayList.add(mybjStudent2); arrayList.add(mybjStudent3); System.out.println(arrayList); // 删除元素 arrayList.remove(mybjStudent2); System.out.println("删除 mybjStudent2 后：arrayList 内容为：" + arrayList); arrayList.remove(1); System.out.println("删除列表中索引位置为 1 的元素后，arrayList 内容为：" + arrayList); // 实例化一个新的学生对象 MybjStudent mybjStudent4 = new MybjStudent("小李", "UI设计师"); // 修改元素 arrayList.set(0, mybjStudent4); System.out.println("修改后：arrayList 内容为" + mybjStudent4); // 查询元素，将 get() 方法得到的 Object 类型强制转换为 MybjStudent 类型 MybjStudent student = arrayList.get(0); System.out.println("索引位置 0 的学生的昵称为：" + student.getNickname()); System.out.println("索引位置 0 的学生的职位为：" + student.getPosition()); } }
运行结果：
[MybjStudent{nickname='Colorful', position='服务端工程师'}, MybjStudent{nickname='Lillian', position='客户端工程师'}, MybjStudent{nickname='小张', position='架构师'}] 删除 mybjStudent2 后：arrayList 内容为：[MybjStudent{nickname='Colorful', position='服务端工程师'}, MybjStudent{nickname='小张', position='架构师'}] 删除列表中索引位置为 1 的元素后，arrayList 内容为：[MybjStudent{nickname='Colorful', position='服务端工程师'}] 修改后：arrayList 内容为MybjStudent{nickname='小李', position='UI设计师'} 索引位置 0 的学生的昵称为：小李 索引位置 0 的学生的职位为：UI设计师
为了方便演示，我们定义了一个静态内部类MybjStudent，它有两个属性nickname和position，定义了属性的getter和setter，并重写了toString()方法。在main()方法中，我们实现了自定义类在ArrayList中的增删改查。
3.4 LinkedList 实现类
LinkedList 是一个以双向链表实现的List。和ArrayList一样，也按照索引位置排序，但它的元素是双向连接的，因此顺序访问的效率非常高，而随机访问的效率比较低。
3.4.1 构造方法
LinkedList()：构造一个空列表；LinkedList(Collection<? extends E> c)：构造一个包含指定集合元素的列表，其顺序由集合的迭代器返回。
3.4.2 常用成员方法
- void add(E e)：将指定的元素追加到此列表的末尾；
- void add(int index, E element)：将指定的元素插入此列表中的指定位置；
- void addFirst(E e)：将指定的元素插入此列表的开头；
- vod addLast(E e)：将指定的元素添加到此列表的结尾；
- E remove(int index)：删除此列表中指定位置的元素；
- boolean remove(Object o)：如果存在指定元素，则从该列表中删除第一次出现的该元素；
- void clear()：从此列表中删除所有元素；
- E set(int index, E element)：用指定的元素替换此列表中指定位置的元素；
- E get(int index)：返回此列表中指定位置的元素；
- E getFirst()：返回此列表的第一个元素；
- E getLast()：返回此列表的最后一个元素；
- boolean contains(Object o)：如果此列表包含指定的元素，则返回 true，否则返回 false；
- int size()：返回该列表中元素的数量；
- Object[] toArray()：以正确的顺序（从第一个元素到最后一个元素）返回一个包含此列表中所有元素的数组。
4. Set 集合
4.1 概念和特性
Set是元素无序并且不可以重复的集合，我们称之为集。Set是Collection的一个子接口，它的主要实现类有：HashSet、TreeSet、LinkedHashSet、EnumSet等，下面我们将详细介绍最常用的HashSet实现类。
4.2 HashSet 实现类
HashSet类依赖于哈希表（实际上是HashMap实例，下面将会介绍）。HashSet中的元素是无序的、散列的。
4.2.1 构造方法
HashSet()：构造一个新的空集；默认的初始容量为 16（最常用），负载系数为 0.75；
HashSet(int initialCapacity)：构造一个新的空集； 具有指定的初始容量，负载系数为 0.75；
HashSet(int initialCapacity, float loadFactor)：构造一个新的空集； 支持的 HashMap 实例具有指定的初始容量和指定的负载系数；
HashSet(Collection<? extends E> c)：构造一个新集合，其中包含指定集合中的元素。
4.2.2 常用成员方法21
HashSet的常用成员方法如下：
boolean add(E e)：如果指定的元素尚不存在，则将其添加到该集合中；
boolean contains(Object o)：如果此集合包含指定的元素，则返回 true，否则返回 false；
boolean isEmpty()：如果此集合不包含任何元素，则返回 true，否则返回 false；
Iterator<E> iterator()：返回此集合中元素的迭代器；
boolean remove(Object o)：从该集合中删除指定的元素（如果存在）；
int size()：返回此集合中的元素数量。
4.3 实例
4.3.1 新增元素
可使用add()方法向集中添加元素，实例如下：
import java.util.HashSet; import java.util.Set; public class HashSetDemo1 { public static void main(String[] args) { // 实例化一个新的空集 Set<String> hashSet = new HashSet<String>(); // 向 hashSet 集中依次添加元素：Python、Java、PHP、TypeScript、Python hashSet.add("Python"); hashSet.add("Java"); hashSet.add("PHP"); hashSet.add("TypeScript"); hashSet.add("Python"); // 打印 hashSet 的内容 System.out.println("hashSet中的内容为：" + hashSet); } }
运行结果：
hashSet中的内容为：[TypeScript, Java, PHP, Python]
在实例中，我们先后向hashSet中添加了两次Python元素，由于集的元素不可重复特性，因此集中只允许出现一个Python元素。我们还观察到，打印结果的元素顺序和我们添加的顺序是不同的，这验证了集的无序特性。
Tips： 由于HashSet的父类AbstractCollection重写了toString()方法，因此直接打印集，可以直观地展示出集中的元素。
4.3.2 删除元素
可使用remove()方法删除集中元素，实例如下：
实例演示
import java.util.HashSet; import java.util.Set; public class HashSetDemo2 { public static void main(String[] args) { // 实例化一个新的空集 Set<String> hashSet = new HashSet<>(); // 向 hashSet 集中依次添加元素：Python、Java hashSet.add("Python"); hashSet.add("Java"); // 打印 hashSet 的内容 System.out.println(hashSet); // 删除 hashSet 中的 Python 元素 hashSet.remove("Python"); // 打印 hashSet 的内容 System.out.println("删除 Python 元素后，hashSet中的内容为：" + hashSet); } }
运行结果：
1. [Java, Python] 2. 删除 Python 元素后，hashSet中的内容为：[Java]
4.3.3 查询元素
我们知道了ArrayList 通过 get方法来查询元素，但HashSet没有提供类似的get方法来查询元素。
这里我们介绍一个迭代器（Iterator）接口，所有的Collection都实现了Iterator接口，它可以以统一的方式对各种集合元素进行遍历。我们来看下Iterator接口的常用方法：
hasNaxt() 方法检测集合中是否还有下一个元素；
next()方法返回集合中的下一个元素；
iterator()：返回此集合中元素的迭代器。实例如下：
[Java, PHP, Python] 迭代器的遍历结果为： Java PHP Python
4.3.4 自定义类的常用操作
请查看如下实例：
import java.util.HashSet; import java.util.Iterator; import java.util.Set; public class HashSetDemo4 { /** * 静态内部类：学生 */ static class MybjStudent { private String nickname; private String position; public MybjStudent() { } public MybjStudent(String nickname, String position) { this.setNickname(nickname); this.setPosition(position); } public String getNickname() { return nickname; } public void setNickname(String nickname) { this.nickname = nickname; } public String getPosition() { return position; } public void setPosition(String position) { this.position = position; } @Override public String toString() { return "MybjStudent{" + "nickname='" + nickname + '\'' + ", position='" + position + '\'' + '}'; } } public static void main(String[] args) { Set<MybjStudent> hashSet = new HashSet<>(); // 实例化3个学生对象 MybjStudent mybjStudent1 = new MybjStudent("Colorful", "服务端工程师"); MybjStudent mybjStudent2 = new MybjStudent("Lillian", "客户端工程师"); MybjStudent mybjStudent3 = new MybjStudent("小张", "架构师"); // 新增元素 hashSet.add(mybjStudent1); hashSet.add(mybjStudent2); hashSet.add(mybjStudent3); // 使用Iterator遍历hashSet Iterator<MybjStudent> iterator = hashSet.iterator(); System.out.println("迭代器的遍历结果为："); while (iterator.hasNext()) { System.out.println(iterator.next()); } // 查找并删除 if (hashSet.contains(mybjStudent1)) { hashSet.remove(mybjStudent1); } System.out.println("删除nickname为Colorful的对象后，集合元素为："); System.out.println(hashSet); } }
运行结果：
迭代器的遍历结果为： MybjStudent{nickname='Lillian', position='客户端工程师'} MybjStudent{nickname='Colorful', position='服务端工程师'} MybjStudent{nickname='小张', position='架构师'} 删除nickname为Colorful的对象后，集合元素为： [MybjStudent{nickname='Lillian', position='客户端工程师'}, MybjStudent{nickname='Colorful', position='服务端工程师'}, MybjStudent{nickname='小张', position='架构师'}]
为了方便演示，我们定义了一个静态内部类MybjStudent，它有两个属性nickname和position，定义了属性的getter和setter，并重写了toString()方法。在main()方法中，我们实现了自定义类在HashSet中的增删改查，使用迭代器可以遍历元素。
5. Map 集合
5.1 概念和特性
我们已经知道Map是以键值对（key-value）的形式存储的对象之间的映射，key-value是以java.util.Map.Entry类型的对象实例存在。
可以使用键来查找值，一个映射中不能包含重复的键，但值是可以重复的。每个键最多只能映射到一个值。
5.2 HashMap 实现类
HashMap是java.util.Map接口最常用的一个实现类，前面所学的HashSet底层就是通过HashMap来实现的，HashMap允许使用null键和null值。
5.2.1 构造方法
HashMap()：构造一个新的空映射；默认的初始容量为 16（最常用），负载系数为 0.75；
HashMap(int initialCapacity)：构造一个新的空映射； 具有指定的初始容量，负载系数为 0.75；
HashMap(int initialCapacity, float loadFactor)：构造一个新的空映射； 支持的 HashMap 实例具有指定的初始容量和指定的负载系数；
HashSet(Map<? extends K, ? extends V> m)：构造一个新映射，其中包含指定映射相同。
5.2.2 常用成员方法
void clear()：从该映射中删除所有映射；
Set<Map, Entry<K, V>> entrySet：返回此映射中包含的映射的集合；
V get(Object key)：返回指定键映射到的值，如果该映射不包含键的映射，则返回 null；
Set<K> keySet：返回此映射中包含的键的结合；
V put(K key, V value)：将指定值与此映射中指定键关联；
V remove(Object key)：如果存在，则从此映射中删除指定键的映射。
Collection<V> values：返回此映射中包含的集合。
5.3 实例
下面我们使用 HashMap 来实现一个英汉字典的例子。
实例演示
1. impimport java.util.HashMap; import java.util.Map; import java.util.Map.Entry; import java.util.Set; public class HashMapDemo1 { public static void main(String[] args) { Map<String, String> map = new HashMap<>(); // 添加数据 map.put("English", "英语"); map.put("Chinese", "汉语"); map.put("Java", "咖啡"); // 打印 map System.out.println(map); // 删除 key 为 Java 的数据 map.remove("Chinese"); System.out.println("删除键为Chinese的映射后，map内容为："); // 打印 map System.out.println(map); // 修改元素： map.put("Java", "一种编程语言"); System.out.println("修改键为Java的值后，Java=" + map.get("Java")); // 遍历map System.out.println("通过遍历entrySet方法得到 key-value 映射："); Set<Entry<String, String>> entries = map.entrySet(); for (Entry<String, String> entry: entries) { System.out.println(entry.getKey() + " - " + entry.getValue()); } // 查找集合中键为 English 对应的值 Set<String> keySet = map.keySet(); for (String key: keySet) { if (key.equals("English")) { System.out.println("English 键对应的值为：" + map.get(key)); break; } } } }
运行结果：
{English=英语, Java=咖啡, Chinese=汉语} 删除键为Chinese的映射后，map内容为： {English=英语, Java=咖啡} 修改键为Java的值后，Java=一种编程语言 通过遍历entrySet方法得到 key-value 映射： English - 英语 Java - 一种编程语言 English 键对应的值为：英语
实例中，Map 的 key 是字符串类型，value 也是字符串类型。值得注意的是，我们在创建HashMap的时候，在Map类型的后面有一个<String, String>，分别表示映射中将要存放的 key 和 value 的类型都为 String 类型。在遍历映射的时候，我们调用了entrySet方法，它返回了此映射中包含的映射的集合。通过键查找值，我们可以调用keySet方法来获取映射中的键的集合，并且遍历这个集合即可找到对应键，通过键就可以获取值了。
6. 小结
本小节我们学习了 Java 的集合，它们定义在java.util包中，Java 中的集合主要有Collection和Map两大接口。List集合是元素有序并且可以重复的集合；Set集合是元素无序并且不可以重复的集合；Map是以键值对（key-value）的形式存储的对象之间的映射，它们都支持泛型。我们分别介绍了 3 个接口常用的实现类的用法。同学们要多多进行编码练习。
