11-6 Map接口

Map接口继承树

一、Map的实现类的结构：

• Map:双列数据，存储key-value对的数据 —类似于高中的函数：y = f(x)

HashMap:作为Map的主要实现类；线程不安全的，效率高；存储null的key和value

• LinkedHashMap:保证在遍历map元素时，可以按照添加的顺序实现遍历。
  原因：在原有的HashMap底层结构基础上，添加了一对指针，指向前一个和后一个元素。
  对于频繁的遍历操作，此类执行效率高于HashMap。

TreeMap:保证按照添加的key-value对进行排序，实现排序遍历。此时考虑key的自然排序或定制排序
底层使用红黑树

Hashtable:作为古老的实现类；线程安全的，效率低；不能存储null的key和value

• Properties:常用来处理配置文件。key和value都是String类型

HashMap的底层：
数组+链表 （jdk7及之前）
数组+链表+红黑树 （jdk 8）

• 面试题：

1. HashMap的底层实现原理？
2. HashMap 和 Hashtable的异同？

1. HashMap与Hashtable都实现了Map接口。由于HashMap的非线程安全性，效率上可能高于Hashtable。Hashtable的方法是Synchronize的，而HashMap不是，在多个线程访问Hashtable时，不需要自己为它的方法实现同步，而HashMap 就必须为之提供外同步。
2. HashMap允许将null作为一个entry的key或者value，而Hashtable不允许。
3. HashMap把Hashtable的contains方法去掉了，改成containsvalue和containsKey。因为contains方法容易让人引起误解。
4. Hashtable继承自Dictionary类，而HashMap是Java1.2引进的Map interface的一个实现。
5. Hashtable和HashMap采用的hash/rehash算法都大概一样，所以性能不会有很大的差异。

3. CurrentHashMap 与 Hashtable的异同？（暂时不讲）

Map接口叙述(key-value的特点)

• Map与Collection并列存在。用于保存具有·映射关系·的数据:key-value
• Map 中的 key 和 value 都可以是任何引用类型的数据
• Map 中的 key 用Set来存放，不允许重复，即同一个 Map 对象所对应的类，须重写hashCode()和equals()方法
• 常用String类作为Map的“键”
• key 和 value 之间存在单向一对一关系，即通过指定的 key 总能找到唯一的、确定的 value
• Map接口的常用实现类：HashMap、TreeMap、LinkedHashMap和Properties。其中，HashMap是 Map 接口使用频率最高的实现类
  

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二、Map结构的理解：

• Map中的key:无序的、不可重复的，使用Set存储所有的key —> key所在的类要重写equals()和hashCode() （以HashMap为例）
• Map中的value:无序的、可重复的，使用Collection存储所有的value —>value所在的类要重写equals()
• 一个键值对：key-value构成了一个Entry对象。
• Map中的entry:无序的、不可重复的，使用Set存储所有的entry

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Map实现类之一：HashMap

• HashMap是 Map 接口使用频率最高的实现类。
• 允许使用null键和null值，与HashSet一样，不保证映射的顺序。
• 所有的key构成的集合是Set:无序的、不可重复的。所以，key所在的类要重写：equals()和hashCode()
• 所有的value构成的集合是Collection:无序的、可以重复的。所以，value所在的类要重写：equals()
• 一个key-value构成一个entry
• 所有的entry构成的集合是Set:无序的、不可重复的
• HashMap 判断两个 key 相等的标准是：两个 key 通过 equals() 方法返回 true，hashCode 值也相等。
• HashMap 判断两个 value相等的标准是：两个 value 通过 equals() 方法返回 true。

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HashMap的存储结构

JDK 7及以前版本：HashMap是数组+链表结构(即为链地址法)
JDK 8版本发布以后：HashMap是数组+链表+红黑树实现。

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HashMap源码中的重要常量

DEFAULT_INITIAL_CAPACITY : HashMap的默认容量，16
MAXIMUM_CAPACITY ： HashMap的最大支持容量，2^30
DEFAULT_LOAD_FACTOR：HashMap的默认加载因子
TREEIFY_THRESHOLD：Bucket中链表长度大于该默认值，转化为红黑树
UNTREEIFY_THRESHOLD：Bucket中红黑树存储的Node小于该默认值，转化为链表
MIN_TREEIFY_CAPACITY：桶中的Node被树化时最小的hash表容量。（当桶中Node的数量大到需要变红黑树时，若hash表容量小于MIN_TREEIFY_CAPACITY时，此时应执行resize扩容操作这个MIN_TREEIFY_CAPACITY的值至少是TREEIFY_THRESHOLD的4倍。）
table：存储元素的数组，总是2的n次幂
entrySet：存储具体元素的集
size：HashMap中存储的键值对的数量
modCount：HashMap扩容和结构改变的次数。
threshold：扩容的临界值，=容量*填充因子
loadFactor：填充因子

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HashMap的底层实现原理？以jdk7为例说明：

HashMap map = new HashMap():
在实例化以后，底层创建了长度是16的一维数组Entry[] table。
…可能已经执行过多次put…
map.put(key1,value1):
首先，调用key1所在类的hashCode()计算key1哈希值，此哈希值经过某种算法计算以后，得到在Entry数组中的存放位置。
如果此位置上的数据为空，此时的key1-value1添加成功。 ----情况1
如果此位置上的数据不为空，(意味着此位置上存在一个或多个数据(以链表形式存在)),比较key1和已经存在的一个或多个数据 的哈希值：

• 如果key1的哈希值与已经存在的数据的哈希值都不相同，此时key1-value1添加成功。----情况2
• 如果key1的哈希值和已经存在的某一个数据(key2-value2)的哈希值相同，继续比较：调用key1所在类的equals(key2)方法，比较：

• 	如果equals()返回false:此时key1-value1添加成功。----情况3
  

•  	如果equals()返回true:使用value1替换value2。
  

补充：关于情况2和情况3：此时key1-value1和原来的数据以链表的方式存储。

在不断的添加过程中，会涉及到扩容问题，当超出临界值(且要存放的位置非空)时，扩容。默认的扩容方式：扩容为原来容量的2倍，并将原有的数据复制过来。

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HashMap的扩容

当HashMap中的元素越来越多的时候，hash冲突的几率也就越来越高，因为数组的长度是固定的。所以为了提高查询的效率，就要对HashMap的数组进行扩容，而在HashMap数组扩容之后，最消耗性能的点就出现了：原数组中的数据必须重新计算其在新数组中的位置,并放进去，这就是resize。

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那么HashMap什么时候进行扩容呢？

当HashMap中的元素个数超过数组大小(数组总大小length,不是数组中个数size)loadFactor时，就 会 进 行 数 组 扩 容，loadFactor的默认值(DEFAULT_LOAD_FACTOR)为0.75，这是一个折中的取值。也就是说，默认情况下，数组大小(DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)为16，那么当HashMap中元素个数超过160.75=12（这个值就是代码中的threshold值，也叫做临界值）的时候，就把数组的大小扩展为2*16=32，即扩大一倍，然后重新计算每个元素在数组中的位置，而这是一个非常消耗性能的操作，所以如果我们已经预知HashMap中元素的个数， 那么预设元素的个数能够有效的提高HashMap的性能。

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HashMap的底层实现原理？以jdk8为例说明：

• HashMap的内部存储结构其实是数组+链表+树的结合。当实例化一个HashMap时，会初始化initialCapacity和loadFactor，在put第一对映射关系时，系统会创建一个长度为initialCapacity的Node数组，这个长度在哈希表中被称为容量(Capacity)，在这个数组中可以存放元素的位置我们称之为“桶”(bucket)，每个bucket都有自己的索引，系统可以根据索引快速的查找bucket中的元素。
• 每个bucket中存储一个元素，即一个Node对象，但每一个Node对象可以带一个引用变量next，用于指向下一个元素，因此，在一个桶中，就有可能生成一个Node链。也可能是一个一个TreeNode对象，每一个TreeNode对象可以有两个叶子结点left和right，因此，在一个桶中，就有可能生成一个TreeNode树。而新添加的元素作为链表的last，或树的叶子结点。

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那么HashMap什么时候进行扩容和树形化呢？

当HashMap中的元素个数超过数组大小(数组总大小length,不是数组中个数size)loadFactor 时 ， 就会进行数组扩容 ， loadFactor 的默认值(DEFAULT_LOAD_FACTOR)为0.75，这是一个折中的取值。也就是说，默认情况下，数组大小(DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)为16，那么当HashMap中元素个数超过160.75=12（这个值就是代码中的threshold值，也叫做临界值）的时候，就把数组的大小扩展为 2*16=32，即扩大一倍，然后重新计算每个元素在数组中的置，而这是一个非常消耗性能的操作，所以如果我们已经预知HashMap中元素的个数，那么预设元素的个数能够有效的提高HashMap的性能。
当HashMap中的其中一个链的对象个数如果达到了8个，此时如果capacity没有达到64，那么HashMap会先扩容解决，如果已经达到了64，那么这个链会变成树，结点类型由Node变成TreeNode类型。当然，如果当映射关系被移除后，下次resize方法时判断树的结点个数低于6个，也会把树再转为链表。

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关于映射关系的key是否可以修改？answer：不要修改

映射关系存储到HashMap中会存储key的hash值，这样就不用在每次查找时重新计算每一个Entry或Node（TreeNode）的hash值了，因此如果已经put到Map中的映射关系，再修改key的属性，而这个属性又参与hashcode值的计算，那么会导致匹配不上。

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总结：jdk8相较于jdk7在底层实现方面的不同：

1. new HashMap():底层没有创建一个长度为16的数组
2. jdk 8底层的数组是：Node[],而非Entry[]
3. 首次调用put()方法时，底层创建长度为16的数组
4. jdk7底层结构只有：数组+链表。jdk8中底层结构：数组+链表+红黑树。
   4.1 形成链表时，七上八下（jdk7:新的元素指向旧的元素。jdk8：旧的元素指向新的元素）
   4.2 当数组的某一个索引位置上的元素以链表形式存在的数据个数 > 8 且当前数组的长度 > 64时，此时此索引位置上的所数据改为使用红黑树存储。

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Map实现类之二：LinkedHashMap

• LinkedHashMap 是 HashMap 的子类
• 在HashMap存储结构的基础上，使用了一对双向链表来记录添加元素的顺序
• 与LinkedHashSet类似，LinkedHashMap 可以维护 Map 的迭代顺序：迭代顺序与 Key-Value 对的插入顺序一致

HashMap中的内部类：Node

static class Node implements Map.Entry {
final int hash;
final K key;
V value;
Node next;
}

LinkedHashMap中的内部类：Entry

static class Entry extends HashMap.Node {
Entry before, after;//能够记录添加的元素的先后顺序
Entry(int hash, K key, V value, Node next) {
super(hash, key, value, next);
}
}

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五、Map中定义的方法：

• 添加、删除、修改操作：
   Object put(Object key,Object value)：将指定key-value添加到(或修改)当前map对象中
   void putAll(Map m):将m中的所有key-value对存放到当前map中
   Object remove(Object key)：移除指定key的key-value对，并返回value
   void clear()：清空当前map中的所有数据
• 元素查询的操作：
   Object get(Object key)：获取指定key对应的value
   boolean containsKey(Object key)：是否包含指定的key
   boolean containsValue(Object value)：是否包含指定的value
   int size()：返回map中key-value对的个数
   boolean isEmpty()：判断当前map是否为空
   boolean equals(Object obj)：判断当前map和参数对象obj是否相等
• 元视图操作的方法：
   Set keySet()：返回所有key构成的Set集合
   Collection values()：返回所有value构成的Collection集合
   Set entrySet()：返回所有key-value对构成的Set集

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添加、删除、修改操作：

Object put(Object key,Object value)：将指定key-value添加到(或修改)当前map对象中
void putAll(Map m):将m中的所有key-value对存放到当前map中
Object remove(Object key)：移除指定key的key-value对，并返回value
void clear()：清空当前map中的所有数据

    @Test
    public void test3(){
        Map map = new HashMap();
        //添加
        map.put("AA",123);
        map.put(45,123);
        map.put("BB",56);
        //修改
        map.put("AA",87);

        System.out.println(map);

        Map map1 = new HashMap();
        map1.put("CC",123);
        map1.put("DD",456);
        map.putAll(map1);

        System.out.println(map);

        //remove(Object key)
        Object value = map.remove("CC");
        System.out.println(value);
        System.out.println(map);

        //clear()
        map.clear();//与map = null操作不同
        System.out.println(map.size());
        System.out.println(map);
    }

输出结果：

{AA=87, BB=56, 45=123}
{AA=87, BB=56, CC=123, DD=456, 45=123}
123
{AA=87, BB=56, DD=456, 45=123}
0
{}

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元素查询的操作：

Object get(Object key)：获取指定key对应的value
boolean containsKey(Object key)：是否包含指定的key
boolean containsValue(Object value)：是否包含指定的value
int size()：返回map中key-value对的个数
boolean isEmpty()：判断当前map是否为空
boolean equals(Object obj)：判断当前map和参数对象obj是否相等

@Test
    public void test4(){
        Map map = new HashMap();
        map.put("AA",123);
        map.put(45,123);
        map.put("BB",56);
        // Object get(Object key)
        System.out.println(map.get(45));
        //containsKey(Object key)
        boolean isExist = map.containsKey("BB");
        System.out.println(isExist);

        isExist = map.containsValue(123);
        System.out.println(isExist);

        map.clear();

        System.out.println(map.isEmpty());
    }

输出结果：

123
true
true
true

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元视图操作的方法：

Set keySet()：返回所有key构成的Set集合
Collection values()：返回所有value构成的Collection集合
Set entrySet()：返回所有key-value对构成的Set集合

 @Test
    public void test5(){
        Map map = new HashMap();
        map.put("AA",123);
        map.put(45,1234);
        map.put("BB",56);

        //遍历所有的key集：keySet()
        Set set = map.keySet();
        Iterator iterator = set.iterator();
        while(iterator.hasNext()){
            System.out.println(iterator.next());
        }
        System.out.println("*****************");

        //遍历所有的values集：values()
        Collection values = map.values();
        for(Object obj : values){
            System.out.println(obj);
        }
        System.out.println("***************");
        //遍历所有的key-values
        //方式一：
        Set entrySet = map.entrySet();
        Iterator iterator1 = entrySet.iterator();
        while (iterator1.hasNext()){
            Object obj = iterator1.next();
            //entrySet集合中的元素都是entry
            Map.Entry entry = (Map.Entry) obj;
            System.out.println(entry.getKey() + "---->" + entry.getValue());

        }
        System.out.println("/");

        //方式二：
        Set keySet = map.keySet();
        Iterator iterator2 = keySet.iterator();
        while(iterator2.hasNext()){
            Object key = iterator2.next();
            Object value = map.get(key);
            System.out.println(key + "=====" + value);
        }
    }

输出结果：

AA
BB
45
*****************
123
56
1234
***************
AA---->123
BB---->56
45---->1234
/
AA=====123
BB=====56
45=====1234

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Map实现类之三：TreeMap

• TreeMap存储 Key-Value 对时，需要根据 key-value 对进行排序。
• TreeMap 可以保证所有的 Key-Value 对处于有序状态。
• TreeSet底层使用红黑树结构存储数据
• TreeMap 的 Key 的排序：

自然排序：TreeMap 的所有的 Key 必须实现 Comparable 接口，而且所有的 Key 应该是同一个类的对象，否则将会抛出 ClasssCastException
定制排序：创建 TreeMap 时，传入一个 Comparator 对象，该对象负责对TreeMap 中的所有 key 进行排序。此时不需要 Map 的 Key 实现Comparable 接口

• TreeMap判断两个key相等的标准：两个key通过compareTo()方法或者compare()方法返回0。

自然排序

//自然排序
    @Test
    public void test(){
        TreeMap map = new TreeMap();
        User u1 = new User("Tom",23);
        User u2 = new User("Jerry",32);
        User u3 = new User("Jack",20);
        User u4 = new User("Rose",18);

        map.put(u1,98);
        map.put(u2,89);
        map.put(u3,76);
        map.put(u4,100);

        Set entrySet = map.entrySet();
        Iterator iterator1 = entrySet.iterator();
        while (iterator1.hasNext()){
            Object obj = iterator1.next();
            Map.Entry entry = (Map.Entry) obj;
            System.out.println(entry.getKey() + "---->" + entry.getValue());

        }
    }

输出结果：

User{name='Tom', age=23}---->98
User{name='Rose', age=18}---->100
User{name='Jerry', age=32}---->89
User{name='Jack', age=20}---->76

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定制排序

//定制排序
    @Test
    public void test2(){
        TreeMap map = new TreeMap(new Comparator() {
            @Override
            public int compare(Object o1, Object o2) {
                if(o1 instanceof User && o2 instanceof User){
                    User u1 = (User)o1;
                    User u2 = (User)o2;
                    return Integer.compare(u1.getAge(),u2.getAge());
                }
                throw new RuntimeException("输入的类型不匹配！");
            }
        });
        User u1 = new User("Tom",23);
        User u2 = new User("Jerry",32);
        User u3 = new User("Jack",20);
        User u4 = new User("Rose",18);

        map.put(u1,98);
        map.put(u2,89);
        map.put(u3,76);
        map.put(u4,100);

        Set entrySet = map.entrySet();
        Iterator iterator1 = entrySet.iterator();
        while (iterator1.hasNext()){
            Object obj = iterator1.next();
            Map.Entry entry = (Map.Entry) obj;
            System.out.println(entry.getKey() + "---->" + entry.getValue());

        }
    }

输出结果：

User{name='Rose', age=18}---->100
User{name='Jack', age=20}---->76
User{name='Tom', age=23}---->98
User{name='Jerry', age=32}---->89

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User类

public class User implements Comparable{
    private String name;
    private int age;

    public User() {
    }

    public User(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 "User{" +
                "name='" + name + ''' +
                ", age=" + age +
                '}';
    }

    @Override
    public boolean equals(Object o) {
        System.out.println("User equals()....");
        if (this == o) return true;
        if (o == null || getClass() != o.getClass()) return false;

        User user = (User) o;

        if (age != user.age) return false;
        return name != null ? name.equals(user.name) : user.name == null;
    }

    @Override
    public int hashCode() { //return name.hashCode() + age;
        int result = name != null ? name.hashCode() : 0;
        result = 31 * result + age;
        return result;
    }

    //按照姓名从大到小排列,年龄从小到大排列
    @Override
    public int compareTo(Object o) {
        if(o instanceof User){
            User user = (User)o;
//            return -this.name.compareTo(user.name);
            int compare = -this.name.compareTo(user.name);
            if(compare != 0){
                return compare;
            }else{
                return Integer.compare(this.age,user.age);
            }
        }else{
            throw new RuntimeException("输入的类型不匹配");
        }

    }
}

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Map实现类之四：Hashtable

• Hashtable是个古老的 Map 实现类，JDK1.0就提供了。不同于HashMap，Hashtable是线程安全的。
• Hashtable实现原理和HashMap相同，功能相同。底层都使用哈希表结构，查询
  速度快，很多情况下可以互用。
• 与HashMap不同，Hashtable 不允许使用 null 作为 key 和 value
• 与HashMap一样，Hashtable 也不能保证其中 Key-Value 对的顺序
• Hashtable判断两个key相等、两个value相等的标准，与HashMap一致。

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Map实现类之五：Properties

• Properties 类是 Hashtable 的子类，该对象用于处理属性文件
• 由于属性文件里的 key、value 都是字符串类型，所以 Properties 里的 key 和 value 都是字符串类型
• 存取数据时，建议使用setProperty(String key,String value)方法和getProperty(String key)方法

Properties pros = new Properties();
pros.load(new FileInputStream("jdbc.properties"));
String user = pros.getProperty("user");
System.out.println(user);

新建jdbc.properties

name=Tom
password=abc123

测试

public class PropertiesTest {
    //Properties:常用来处理配置文件。key和value都是String类型
    public static void main(String[] args){
        //快捷键：ALT+Shift+Z
        FileInputStream fis = null;
        try {
            Properties pros = new Properties();
            fis = new FileInputStream("jdbc.properties");
            pros.load(fis); //加载流对应文件

            String name = pros.getProperty("name");
            String password = pros.getProperty("password");

            System.out.println("name = " + name + ",password = " + password);
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            if(fis != null){
                try {
                    fis.close();
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    }
}

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解决中文乱码：

然后重建jdbc.properties

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Collections工具类,操作collection和map

• Collections 是一个操作 Set、List 和 Map 等集合的工具类
• Collections 中提供了一系列静态的方法对集合元素进行排序、查询和修改等操作，还提供了对集合对象设置不可变、对集合对象实现同步控制等方法

排序操作：（均为static方法）

reverse(List)：反转 List 中元素的顺序
shuffle(List)：对 List 集合元素进行随机排序
sort(List)：根据元素的自然顺序对指定 List 集合元素按升序排序
sort(List，Comparator)：根据指定的 Comparator 产生的顺序对 List 集合元素进行排序
swap(List，int， int)：将指定 list 集合中的 i 处元素和 j 处元素进行交换

查找、替换:

Object max(Collection)：根据元素的自然顺序，返回给定集合中的最大元素
Object max(Collection，Comparator)：根据 Comparator 指定的顺序，返回给定集合中的最大元素
Object min(Collection)
Object min(Collection，Comparator)
int frequency(Collection，Object)：返回指定集合中指定元素的出现次数
void copy(List dest,List src)：将src中的内容复制到dest中
boolean replaceAll(List list，Object oldVal，Object newVal)：使用新值替换List 对象的所有旧值

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面试题：Collection 和 Collections的区别？

Collection是集合类的上级接口，继承于他的接口主要有Set 和List.
Collections是针对集合类的一个帮助类，他提供一系列静态方法实现对各种集合的搜索、排序、线程安全化等操作.

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    @Test
    public void test(){
        List list = new ArrayList();
        list.add(123);
        list.add(43);
        list.add(765);
        list.add(765);
        list.add(765);
        list.add(-97);
        list.add(0);

        System.out.println(list);

//        Collections.reverse(list);//[0, -97, 765, 765, 765, 43, 123]
//        Collections.shuffle(list);//[43, 765, -97, 765, 0, 765, 123]
//        Collections.sort(list);//[-97, 0, 43, 123, 765, 765, 765]
//        Collections.swap(list,1,2);//[123, 765, 43, 765, 765, -97, 0]
        int frequency = Collections.frequency(list, 123);

        System.out.println(list);
        System.out.println(frequency);
    }

    @Test
    public void test2(){
        List list = new ArrayList();
        list.add(123);
        list.add(43);
        list.add(765);
        list.add(-97);
        list.add(0);

        //报异常：IndexOutOfBoundsException("Source does not fit in dest")
//        dest的长度要大于src
//        List dest = new ArrayList();
//        Collections.copy(dest,list);
        //正确的：
        List dest = Arrays.asList(new Object[list.size()]);
        System.out.println(dest.size());//list.size();5
//        System.out.println(dest);//[null, null, null, null, null]
        Collections.copy(dest,list);

        System.out.println(dest);
}

Collections常用方法：同步控制

• Collections 类中提供了多个 synchronizedXxx() 方法，该方法可使将指定集合包装成线程同步的集合，从而可以解决多线程并发访问集合时的线程安全问题
  

 //返回的list1即为线程安全的List
        List list1 = Collections.synchronizedList(list);

---

补充：Enumeration

• Enumeration 接口是 Iterator 迭代器的 “古老版本”
  

Enumeration stringEnum = new StringTokenizer("a-b*c-d-e-g", "-");
while(stringEnum.hasMoreElements()){
Object obj = stringEnum.nextElement();
System.out.println(obj); 
}