day03 【List、Set、数据结构、Collections】
主要内容
数据结构
List集合
Set集合
Collections
教学目标
能够说出List集合特点
能够说出常见的数据结构
能够说出数组结构特点
能够说出栈结构特点
能够说出队列结构特点
能够说出单向链表结构特点
能够说出Set集合的特点
能够说出哈希表的特点
使用HashSet集合存储自定义元素
能够说出可变参数的格式
能够使用集合工具类
能够使用Comparator比较器进行排序
第一章 数据结构
2.1 数据结构有什么用？
当你用着java里面的容器类很爽的时候，你有没有想过，怎么ArrayList就像一个无限扩充的数组，也好像链表之类
的。好用吗？好用，这就是数据结构的用处，只不过你在不知不觉中使用了。
现实世界的存储，我们使用的工具和建模。每种数据结构有自己的优点和缺点，想想如果Google的数据用的是数
组的存储，我们还能方便地查询到所需要的数据吗？而算法，在这么多的数据中如何做到最快的插入，查找，删
除，也是在追求更快。
我们java是面向对象的语言，就好似自动档轿车，C语言好似手动档吉普。数据结构呢？是变速箱的工作原理。你
完全可以不知道变速箱怎样工作，就把自动档的车子从 A点 开到 B点，而且未必就比懂得的人慢。写程序这件事，
和开车一样，经验可以起到很大作用，但如果你不知道底层是怎么工作的，就永远只能开车，既不会修车，也不能
造车。当然了，数据结构内容比较多，细细的学起来也是相对费功夫的，不可能达到一蹴而就。我们将常见的数据
结构：堆栈、队列、数组、链表和红黑树 这几种给大家介绍一下，作为数据结构的入门，了解一下它们的特点即
可。
2.2 常见的数据结构
数据存储的常用结构有：栈、队列、数组、链表和红黑树。我们分别来了解一下：
栈
栈：stack,又称堆栈，它是运算受限的线性表，其限制是仅允许在标的一端进行插入和删除操作，不允许在其
他任何位置进行添加、查找、删除等操作。
简单的说：采用该结构的集合，对元素的存取有如下的特点
先进后出（即，存进去的元素，要在后它后面的元素依次取出后，才能取出该元素）。例如，子弹压进弹
夹，先压进去的子弹在下面，后压进去的子弹在上面，当开枪时，先弹出上面的子弹，然后才能弹出下面的
子弹。
栈的入口、出口的都是栈的顶端位置。
这里两个名词需要注意：
压栈：就是存元素。即，把元素存储到栈的顶端位置，栈中已有元素依次向栈底方向移动一个位置。
弹栈：就是取元素。即，把栈的顶端位置元素取出，栈中已有元素依次向栈顶方向移动一个位置。
队列
~队列：queue,简称队，它同堆栈一样，也是一种运算受限的线性表，其限制是仅允许在表的一端进行插入，
而在表的另一端进行删除。
简单的说，采用该结构的集合，对元素的存取有如下的特点：
~先进先出（即，存进去的元素，要在后它前面的元素依次取出后，才能取出该元素）。例如，小火车过山
洞，车头先进去，车尾后进去；车头先出来，车尾后出来。
~队列的入口、出口各占一侧。例如，下图中的左侧为入口，右侧为出口。
数组
~数组:Array,是有序的元素序列，数组是在内存中开辟一段连续的空间，并在此空间存放元素。就像是一排出
租屋，有100个房间，从001到100每个房间都有固定编号，通过编号就可以快速找到租房子的人。
简单的说,采用该结构的集合，对元素的存取有如下的特点：
~查找元素快：通过索引，可以快速访问指定位置的元素
~增删元素慢
指定索引位置增加元素：需要创建一个新数组，将指定新元素存储在指定索引位置，再把原数组元素根
据索引，复制到新数组对应索引的位置。如下图
~指定索引位置删除元素：需要创建一个新数组，把原数组元素根据索引，复制到新数组对应索引的位
置，原数组中指定索引位置元素不复制到新数组中。如下图
链表
~链表:linked list,由一系列结点node（链表中每一个元素称为结点）组成，结点可以在运行时i动态生成。每
个结点包括两个部分：一个是存储数据元素的数据域，另一个是存储下一个结点地址的指针域。我们常说的
链表结构有单向链表与双向链表，那么这里给大家介绍的是单向链表。
简单的说，采用该结构的集合，对元素的存取有如下的特点：
~多个结点之间，通过地址进行连接。例如，多个人手拉手，每个人使用自己的右手拉住下个人的左手，依次
类推，这样多个人就连在一起了。
~查找元素慢：想查找某个元素，需要通过连接的节点，依次向后查找指定元素
~增删元素快：
增加元素：只需要修改连接下个元素的地址即可。
删除元素：只需要修改连接下个元素的地址即可。
红黑树
~二叉树：binary tree ,是每个结点不超过2的有序树（tree） 。
简单的理解，就是一种类似于我们生活中树的结构，只不过每个结点上都最多只能有两个子结点。
二叉树是每个节点最多有两个子树的树结构。顶上的叫根结点，两边被称作“左子树”和“右子树”。
如图：
我们要说的是二叉树的一种比较有意思的叫做红黑树，红黑树本身就是一颗二叉查找树，将节点插入后，该树仍然
是一颗二叉查找树。也就意味着，树的键值仍然是有序的。
红黑树的约束:
1. 节点可以是红色的或者黑色的
2. 根节点是黑色的
3. 叶子节点(特指空节点)是黑色的
4. 每个红色节点的子节点都是黑色的
5. 任何一个节点到其每一个叶子节点的所有路径上黑色节点数相同
红黑树的特点:
速度特别快,趋近平衡树,查找叶子元素最少和最多次数不多于二倍
第二章 List集合
我们掌握了Collection接口的使用后，再来看看Collection接口中的子类，他们都具备那些特性呢？
接下来，我们一起学习Collection中的常用几个子类（ java.util.List 集合、java.util.Set 集合）。
1.1 List接口介绍
java.util.List 接口继承自Collection 接口，是单列集合的一个重要分支，习惯性地会将实现了List 接口的对
象称为List集合。在List集合中允许出现重复的元素，所有的元素是以一种线性方式进行存储的，在程序中可以通过
索引来访问集合中的指定元素。另外，List集合还有一个特点就是元素有序，即元素的存入顺序和取出顺序一致。
看完API，我们总结一下：
List接口特点：
1. 它是一个元素存取有序的集合。例如，存元素的顺序是11、22、33。那么集合中，元素的存储就是按照11、
22、33的顺序完成的）。
2. 它是一个带有索引的集合，通过索引就可以精确的操作集合中的元素（与数组的索引是一个道理）。
3. 集合中可以有重复的元素，通过元素的equals方法，来比较是否为重复的元素。
tips:我们在基础班的时候已经学习过List接口的子类java.util.ArrayList类，该类中的方法都是来自List中定
义。
1.2 List接口中常用方法
List作为Collection集合的子接口，不但继承了Collection接口中的全部方法，而且还增加了一些根据元素索引来操
作集合的特有方法，如下：
~public void add(int index, E element) : 将指定的元素，添加到该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) :用指定元素替换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关，我们在基础班都学习过，那么我们再来复习一遍吧：
第三章 List的子类
3.1 ArrayList集合
java.util.ArrayList 集合数据存储的结构是数组结构。元素增删慢，查找快，由于日常开发中使用最多的功能为
查询数据、遍历数据，所以ArrayList 是最常用的集合。
许多程序员开发时非常随意地使用ArrayList完成任何需求，并不严谨，这种用法是不提倡的。
3.2 LinkedList集合
java.util.LinkedList 集合数据存储的结构是链表结构。方便元素添加、删除的集合。
LinkedList是一个双向链表，那么双向链表是什么样子的呢，我们用个图了解下
实际开发中对一个集合元素的添加与删除经常涉及到首尾操作，而LinkedList提供了大量首尾操作的方法。这些方
法我们作为了解即可：
public void addFirst(E e) :将指定元素插入此列表的开头。
public void addLast(E e) :将指定元素添加到此列表的结尾。
public E getFirst() :返回此列表的第一个元素。
public E getLast() :返回此列表的最后一个元素。
public E removeFirst() :移除并返回此列表的第一个元素。
public E removeLast() :移除并返回此列表的最后一个元素。
public E pop() :从此列表所表示的堆栈处弹出一个元素。
public void push(E e) :将元素推入此列表所表示的堆栈。
public boolean isEmpty() ：如果列表不包含元素，则返回true。
LinkedList是List的子类，List中的方法LinkedList都是可以使用，这里就不做详细介绍，我们只需要了解LinkedList
的特有方法即可。在开发时，LinkedList集合也可以作为堆栈，队列的结构使用。（了解即可）
方法演示：
第四章 Set接口
java.util.Set 接口和java.util.List 接口一样，同样继承自Collection 接口，它与Collection 接口中的方
法基本一致，并没有对Collection 接口进行功能上的扩充，只是比Collection 接口更加严格了。与List 接口不
同的是， Set 接口中元素无序，并且都会以某种规则保证存入的元素不出现重复。
Set 集合有多个子类，这里我们介绍其中的java.util.HashSet 、java.util.LinkedHashSet 这两个集合。
tips:Set集合取出元素的方式可以采用：迭代器、增强for。
3.1 HashSet集合介绍
java.util.HashSet 是Set 接口的一个实现类，它所存储的元素是不可重复的，并且元素都是无序的(即存取顺序
不一致)。java.util.HashSet 底层的实现其实是一个java.util.HashMap 支持，由于我们暂时还未学习，先做了
解。
HashSet 是根据对象的哈希值来确定元素在集合中的存储位置，因此具有良好的存取和查找性能。保证元素唯一性
的方式依赖于： hashCode 与equals 方法。
我们先来使用一下Set集合存储，看下现象，再进行原理的讲解:
输出结果如下，说明集合中不能存储重复元素：
tips:根据结果我们发现字符串"cba"只存储了一个，也就是说重复的元素set集合不存储。
2.2 HashSet集合存储数据的结构（哈希表）
什么是哈希表呢？
在JDK1.8之前，哈希表底层采用数组+链表实现，即使用链表处理冲突，同一hash值的链表都存储在一个链表里。
但是当位于一个桶中的元素较多，即hash值相等的元素较多时，通过key值依次查找的效率较低。而JDK1.8中，哈
希表存储采用数组+链表+红黑树实现，当链表长度超过阈值（8）时，将链表转换为红黑树，这样大大减少了查找
时间。
简单的来说，哈希表是由数组+链表+红黑树（JDK1.8增加了红黑树部分）实现的，如下图所示。
看到这张图就有人要问了，这个是怎么存储的呢？
为了方便大家的理解我们结合一个存储流程图来说明一下：
总而言之，JDK1.8引入红黑树大程度优化了HashMap的性能，那么对于我们来讲保证HashSet集合元素的唯一，
其实就是根据对象的hashCode和equals方法来决定的。如果我们往集合中存放自定义的对象，那么保证其唯一，
就必须复写hashCode和equals方法建立属于当前对象的比较方式。
2.3 HashSet存储自定义类型元素
给HashSet中存放自定义类型元素时，需要重写对象中的hashCode和equals方法，建立自己的比较方式，才能保
证HashSet集合中的对象唯一
创建自定义Student类
2.3 LinkedHashSet
我们知道HashSet保证元素唯一，可是元素存放进去是没有顺序的，那么我们要保证有序，怎么办呢？
在HashSet下面有一个子类java.util.LinkedHashSet ，它是链表和哈希表组合的一个数据存储结构。
演示代码如下:
1.9 可变参数
在JDK1.5之后，如果我们定义一个方法需要接受多个参数，并且多个参数类型一致，我们可以对其简化成如下格
式：
其实这个书写完全等价与
只是后面这种定义，在调用时必须传递数组，而前者可以直接传递数据即可。
JDK1.5以后。出现了简化操作。... 用在参数上，称之为可变参数。
同样是代表数组，但是在调用这个带有可变参数的方法时，不用创建数组(这就是简单之处)，直接将数组中的元素
作为实际参数进行传递，其实编译成的class文件，将这些元素先封装到一个数组中，在进行传递。这些动作都在编
译.class文件时，自动完成了。
代码演示：
tips: 上述add方法在同一个类中，只能存在一个。因为会发生调用的不确定性
注意：如果在方法书写时，这个方法拥有多参数，参数中包含可变参数，可变参数一定要写在参数列表的末
尾位置。
第五章 Collections
2.1 常用功能
java.utils.Collections 是集合工具类，用来对集合进行操作。部分方法如下：
public static <T> boolean addAll(Collection<T> c, T... elements) :往集合中添加一些元素。
public static void shuffle(List<?> list) 打乱顺序:打乱集合顺序。
public static <T> void sort(List<T> list) :将集合中元素按照默认规则排序。
public static <T> void sort(List<T> list，Comparator<? super T> ) :将集合中元素按照指定规则排
序。
代码演示：
代码演示之后 ，发现我们的集合按照顺序进行了排列，可是这样的顺序是采用默认的顺序，如果想要指定顺序那该
怎么办呢？
我们发现还有个方法没有讲， public static <T> void sort(List<T> list，Comparator<? super T> ) :将集合中
元素按照指定规则排序。接下来讲解一下指定规则的排列。
2.2 Comparator比较器]
我们还是先研究这个方法
public static <T> void sort(List<T> list) :将集合中元素按照默认规则排序。
不过这次存储的是字符串类型。
结果：
我们使用的是默认的规则完成字符串的排序，那么默认规则是怎么定义出来的呢？
说到排序了，简单的说就是两个对象之间比较大小，那么在JAVA中提供了两种比较实现的方式，一种是比较死板的
采用java.lang.Comparable 接口去实现，一种是灵活的当我需要做排序的时候在去选择的
java.util.Comparator 接口完成。
那么我们采用的public static <T> void sort(List<T> list) 这个方法完成的排序，实际上要求了被排序的类型
需要实现Comparable接口完成比较的功能，在String类型上如下：
String类实现了这个接口，并完成了比较规则的定义，但是这样就把这种规则写死了，那比如我想要字符串按照第
一个字符降序排列，那么这样就要修改String的源代码，这是不可能的了，那么这个时候我们可以使用
public static <T> void sort(List<T> list，Comparator<? super T> ) 方法灵活的完成，这个里面就涉及到了
Comparator这个接口，位于位于java.util包下，排序是comparator能实现的功能之一,该接口代表一个比较器，比
较器具有可比性！顾名思义就是做排序的，通俗地讲需要比较两个对象谁排在前谁排在后，那么比较的方法就是：
public int compare(String o1, String o2) ：比较其两个参数的顺序。
两个对象比较的结果有三种：大于，等于，小于。
如果要按照升序排序， 则o1 小于o2，返回（负数），相等返回0，01大于02返回（正数） 如果要按照
降序排序 则o1 小于o2，返回（正数），相等返回0，01大于02返回（负数）
操作如下:
结果如下：
2.3 简述Comparable和Comparator两个接口的区别。
Comparable：强行对实现它的每个类的对象进行整体排序。这种排序被称为类的自然排序，类的compareTo方法
被称为它的自然比较方法。只能在类中实现compareTo()一次，不能经常修改类的代码实现自己想要的排序。实现
此接口的对象列表（和数组）可以通过Collections.sort（和Arrays.sort）进行自动排序，对象可以用作有序映射中
的键或有序集合中的元素，无需指定比较器。
Comparator强行对某个对象进行整体排序。可以将Comparator 传递给sort方法（如Collections.sort或
Arrays.sort），从而允许在排序顺序上实现精确控制。还可以使用Comparator来控制某些数据结构（如有序set或
有序映射）的顺序，或者为那些没有自然顺序的对象collection提供排序。
2.4 练习
创建一个学生类，存储到ArrayList集合中完成指定排序操作。
Student 初始类
测试类：
发现，当我们调用Collections.sort()方法的时候 程序报错了。
原因：如果想要集合中的元素完成排序，那么必须要实现比较器Comparable接口。
于是我们就完成了Student类的一个实现，如下：
再次测试，代码就OK 了效果如下：
2.5 扩展
如果在使用的时候，想要独立的定义规则去使用 可以采用Collections.sort(List list,Comparetor c)方式，自己定义
规则：
效果：
如果想要规则更多一些，可以参考下面代码：
效果如下：
