Java集合框架详解：Collection体系、Comparable与Comparator区别及底层数据结构分析

1.1 集合的基本概念

集合是用于存储多个对象的容器，定义了一系列对多个对象进行操作的方法。集合可以实现类似数组的功能，但更加灵活。

1.2 集合与数组的区别

• 数组的长度是固定的，而集合的长度可以动态变化。
• 数组可以存储基本数据类型和引用类型，而集合只能存储引用类型（如果需要存储基本数据类型，可以使用对应的包装类）。

1.3 集合框架的位置

Java集合框架提供了一套高效且易于使用的接口和类，它们位于java.util包中。

2.1 Comparable接口

Comparable接口位于java.lang包中，包含一个compareTo(Object obj)方法，用于实现自然排序。

2.2 Comparator接口

Comparator接口位于java.util包中，包含一个compare(Object obj1, Object obj2)方法，用于实现定制排序。

当需要对集合进行自定义排序时，可以通过实现Comparable接口或使用Comparator接口。如果需要实现多种排序方式，可以同时重写compareTo()方法并使用多个Comparator实例。

2.3 Comparable具体案例

以下是一个使用Comparable接口进行排序的示例：

import java.util.TreeSet;

public class TestComparable {
    public static void main(String[] args) {
        TreeSet treeSet = new TreeSet<>();
        for (int i = 5; i >= 1; i--) {
            treeSet.add(new Student(i));
        }
        System.out.println(treeSet.toString());
    }
}

class Student implements Comparable {
    int age;
    public Student(int age) {
        this.age = age;
    }
    // 按照age的大小正序排序
    @Override
    public int compareTo(Student student) {
        return this.age - student.age;
    }
    @Override
    public String toString() {
        return "Student{" + "age=" + age + '}';
    }
}

运行结果：

2.4 Comparator具体案例

以下是一个使用Comparator接口进行排序的示例：

public static void main(String[] args) {
    TreeSet treeSet = new TreeSet<>(new Comparator() {
        @Override
        public int compare(String o1, String o2) {
            int n1 = o1.length() - o2.length();
            int n2 = o1.compareTo(o2);
            return n1 == 0 ? n2 : n1;
        }
    });
    treeSet.add("Hello World!");
    treeSet.add("Java the best!");
    treeSet.add("C#");
    treeSet.add("Go");
    treeSet.add("Python");
    treeSet.add("C");
    treeSet.add("C++");
    treeSet.add("JavaWeb");
    treeSet.add("Javascript");
    treeSet.add("CSS");
    treeSet.add("HTML");
    treeSet.add("Angular");
    System.out.println(treeSet.toString());
}

运行结果：

3.1 List接口实现

• ArrayList: 基于动态数组实现，支持快速随机访问。
• Vector: 与ArrayList类似，但线程安全。
• LinkedList: 基于双向链表实现，支持高效的插入和删除操作。

3.2 Set接口实现

• HashSet (无序、唯一): 基于HashMap实现，底层使用哈希表存储元素。
• LinkedHashSet (有序、唯一): 继承自HashSet，内部使用LinkedHashMap实现，保持插入顺序。
• TreeSet (有序、唯一): 基于红黑树实现，支持按自然顺序或定制顺序排序。

3.3 Map接口实现

• HashMap: JDK 1.8之前使用数组+链表实现，JDK 1.8之后在链表长度超过8时转换为红黑树，以提高查找效率。
• LinkedHashMap: 继承自HashMap，内部使用双向链表维护插入顺序或访问顺序。
• Hashtable: 类似于HashMap，但线程安全，不支持null键和值。
• TreeMap: 基于红黑树实现，支持按自然顺序或定制顺序排序。

选择合适的集合类应考虑以下因素：

• 需要根据键值获取元素时，选择Map接口下的集合。
• 需要排序时，选择TreeMap。
• 不需要排序时，选择HashMap。
• 需要保证线程安全时，选择ConcurrentHashMap。
• 只需存放元素值时，选择实现Collection接口的集合。
• 需要保证元素唯一时，选择实现Set接口的集合，如TreeSet或HashSet。
• 不需要保证唯一性时，选择实现List接口的集合，如ArrayList或LinkedList。