컬렉션 프레임워크

bo04·2024년 3월 29일

Java

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컬렉션 프레임워크

자료구조들을 자바 클래스로 구현한 모음집으로 오랫동안 jvm에 최적화 시켜놔서 그냥 사용하면 됨
장점
1. 인터페이스와 다형성을 이용한 oop 설계로 표준화되어서 재사용하기 좋음
2. 데이터 구조와 알고리즘 고성능 구현을 제공해줌
참고로 컬렉션 프레임워크에는 오로지 객체만 저장할 수 있어서 기본 자료형은 저장 못함. 저장하려면 wrapper 타입으로 변환해 Integer 객체나 Double 객체로 boxing해 저장해야됨.
컬레션 프레임워크는 두개로 나뉨 1.Collection 인터페이스(Collection의 인터페이스는 공통적인 부분이 많아서 하나로 묶음)
- 참고로 순회할때 사용하는 객체 Iterable 을 상속받았으므로 Iterable 사용 가능함
1. Map 인터페이스(Map은 key,value로 달라서 나뉨)
- Iterable을 상속받지 않아서 사용 못함. 대신에 stream을 사용하거나 key를 collections으로 반환 후 루프문으로 순회함

Collection 인터페이스

실질적인 최상위 컬렉션 타입으로, 해당 인터페이스에 기본적인 삽입/삭제/탐색 등의 메소드가 선언되어있어 업캐스팅으로 다양한 종류의 컬렉션 자료형을 받아 사용 할 수 있음(다형성)

참고로 자바 1.8부터는 함수형 프로그래밍을 위해 parallelStream, stream, forEach 디폴트 메소드 등이 추가됨.
get() 메소드는 이 인터페이스들에게 선언이 안되어있음. 왜냐면 순서가 없는 Set 인터페이스같은 경우 인덱스에 저장된 값을 리턴할 수 없음. ISP(인터페이스 분리 원칙)에 따라 공통된 기능만 구현하려고.

List 인터페이스

저장 순서가 유지되고 같은 요소의 중복 저장이 허용됨
배열과 다른점은, List는 자료형 크기가 고정이 아니고 동적으로 변한다는 점+요소들 사이에 빈 공간이 허용되지 않아 중간을 삭제하면 원소들이 앞으로 이동함

ArrayList 클래스 vs LinkedList 클래스

Array: 조회는 인덱스로 바로 할 수 있어서 O(1)이지만 중간 삽입/삭제는 O(n)
LinkedList: 조회 메소드 get(index)의 실제 코드를 보면 for문으로 돌아서 찾기 때문에 O(n)임. ArrayList의 삽입/삭제 문제를 O(1)로 해결해줌.
- List 인터페이스와 Queue 인터페이스를 동시에 상속받고 있어서 stack,queue로도 사용할 수 있음(실제로 스택/큐와 관련된 메소드를 지원해줌=push(),pop(),poll(),offer(),peek() 등)
  - 실제 스택,큐는 LinkedList를 쓰는지 코드 보자~
- stack, queue, tree 등의 구조의 근간이 됨

Vector 클래스

arrayList의 구형 버전으로 거의 비슷하지만 유일하게 다른 점이 모든 메소드가 동기화(synchronized)되어 있어 thread-safe하다는 점
잘 쓰이지 않음. 컬렉션에 동기화가 필요하면 Collections.synchronizedList() 메소드를 사용해 arrayList를 동기화함

Stack 클래스

Vector 를 상속해 만들어진 클래스라 실제로 잘 안쓰이고 대신 ArrayDeque를 사용함

Queue 인터페이스

LinkedList를 기반으로 구현이 되었나 확인?????

PriorityQueue 클래스

우선 순위를 가지는 큐로, 각 원소마다 우선순위를 부여해 우선순위가 높은 순으로 정렬되고 꺼내짐(우선순위의 값이 작을수록 우선순위는 높은 거임)
수행할 작업이 여러개 있고 시간이 제한되어있을때 우선순위순으로 수행할때 사용됨(네트워크 제어, cpu 스케줄링)
여기에 저장할 객체는 무조건 Comparable 인터페이스를 구현해야함.
null 저장이 불가능함
저장공간으로 배열을 사용하고 각 요소를 힙 형태로 저장한다 ??????
- 힙은 이진트리의 한 종류로 우선순위가 가장 높은 자료를 루트 노드로 갱신한다는 점으로, 가장 큰 값/작은값을 빠르게 찾을 수 있음

직접 객체 생성

// 우선순위 큐에 저장할 객체는 필수적으로 Comparable를 구현
class Student implements Comparable<Student> {
    String name; // 학생 이름
    int priority; // 우선순위를 저장필드가 있어야함

    public Student(String name, int priority) {
        this.name = name;
        this.priority = priority;
    }

    @Override
    public int compareTo(Student user) {
        // Student의 priority 필드값을 비교하여 우선순위를 결정하여 정렬
        if (this.priority < user.priority) {
            return -1;
        } else if (this.priority == user.priority) {
            return 0;
        } else {
            return 1;
        }
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "Student{" +
                "name='" + name + '\'' +
                ", priority=" + priority +
                '}';
    }
}
// 우선순위가 가장 높은 값을 참조
System.out.println(priorityQueue.peek()); // Student{name='홍길동', priority=1}

// 차례대로 꺼내기(우선순위 높은 순대로 자동정렬되어있어서 그거 순서대로 꺼내짐..)
System.out.println(priorityQueue.poll()); // Student{name='홍길동', priority=1}
System.out.println(priorityQueue.poll()); // Student{name='임꺽정', priority=2}

Deque 인터페이스

스택과 큐를 합쳐놓은것 같아 스택으로 사용할 수도 있고 큐로 사용할 수도 있음
구현체로 ArrayDeque와 LinkedList 가 있음

ArrayDeque 클래스

스택으로 사용할땐 stack 클래스보다 빠르고(push(), pop()), 대기열로 사용할때는 LinkedList 보다 빠름(offer(), poll())
사이즈에 제한이 없음
null은 저장 안됨

Set 인터페이스

중복이 없고 순서를 유지하지 않음.→ 따라서 get(index) 도 존재할 수 없음
- 중복이 안되므로 null도 하나만 저장할 수 있음

HashSet 클래스

배열+연결 노드를 결합한 자료구조 형태
추가/삭제/검색 등 전반적으로 매우 빠르나 순서를 알 수가 없음

버킷(배열)에 저장하지만 그 버킷 안은 연결 리스트로 되어있음

LinkedHashSet 클래스

중복은 여전히 안되지만 순서는 유지되는 set 구현 클래스

TreeSet 클래스

이진 검색 트리 자료구조로 데이터가 저장됨
set 인터페이스 그대로 중복 불가하고 순서도 없으나, 데이터가 자동 정렬되어 저장되어있음→그래서 검색, 범위 검색이 빠름

enumSet 추상 클래스

enum 클래스와 함께 동작하는 set 컬렉션으로, 중복되지 않은 상수 그룹을 나타낼떄 사용됨

enum Color {
    RED, YELLOW, GREEN, BLUE, BLACK, WHITE
}

public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        // 정적 팩토리 메서드를 통해 RegularEnumSet 혹은 JumboEnumSet 을 반환
        // 만일 enum 상수 원소 갯수가 64개 이하면 RegularEnumSet, 이상이면 JumboEnumSet 객체를 반환
        EnumSet<Color> enumSet = EnumSet.allOf(Color.class);

        for (Color color : enumSet) {
            System.out.println(color);
        }

        enumSet.size(); // 6

        enumSet.toString(); // [RED, YELLOW, GREEN, BLUE, BLACK, WHITE]
    }
}

Map 인터페이스

(key,value) 쌍으로 이뤄진 데이터 집합으로, 저장 순서가 유지되지 않음
key는 중복될수 없으나 value는 중복될 수 있음. 만약 key가 중복돼서 저장되면 가장 마지막에 저장한 값이 저장됨
- 실제로 entrySet(), keySet()같이 key를 리턴하는 함수는 중복이 허용되지 않아서 Set 타입이고, values()같이 value를 리턴하는 함수는 중복이 허용돼서 Collection 타입으로으로 반환됨

Map.Entry 인터페이스 <<<<뭔지?

Map 인터페이스 안에 있는 내부 인터페이스로, Node 내부 클래스에서 이를 구현함
map 자료구조를 보다 객체지향적인 설계를 하려고 사용함

Map<String,Integer> map=new HashMap<>();
map.put("a",1);
System.out.println(map); // {a=1}

Set<Map.Entry<String, Integer>> entry = map.entrySet();
System.out.println(entry); // [a=1]

HashMap 클래스

Hashtable을 보안한 컬렉션으로, 배열과 연결리스트가 결합된 hashing 형태로, 키와 값을 하나의 데이터로 저장함
중복 허용 안되고 순서도 보장 안됨
키와 값으로 null이 허용됨
HashMap은 비동기로 작동해 멀티 스레드 환경에서는 어울리지 않음(currentHashMap을 사용함)
참고로 이 클래스 포함 Hash~ 로 시작하는 자료형은 해당 자료형에 내가 만든 객체를 저장한다면 그 객체에 hashCode()와 equals() 메소드를 재정의해서 모두 true가 나와야 동등 객체로 판별해줌 =직접 만든 클래스라면 같은 객체로 판별하기 위해 hashCode(),equals()를 재정의하자
- 다만 String 문자열은 기본적으로 재정의 되어있어 같은 문자열일 경우 동등한 객체로 판별돼서 값이 덮어씌워질 수 있음

LinkedHashMap 클래스

HashMap을 상속하기 때문에 흡사하지만 entry들이 연결리스트를 구성해서 데이터의 순서가 보장됨

TreeMap 클래스

이진 검색 트리 형태로 키와 값으로 데이터가 저장됨(treeSet과 같은 원리)
sortedMap 인터페이스를 구현하고 있어서 key값을 기준으로 정렬되어 있음→ 그래서 검색 빠름→ 키와 값 저장+정렬해야돼서 저장시간이 오래 걸림

HashTable 클래스

자바 초기에 나온 레거시 클래스로, key를 해시 함수로 해싱한 후에 배열의 인덱스로 사용했음
HashMap보다 느리지만 vector(synchronized)처럼 동기화된 메소드로 구성되어 있어 멀티 스레드에서 안전함

Properties 클래스

환경 설정과 관련된 속성파일인 .properties를 읽거나 설정할때 사용함

컬렉션 프레임워크 선택 시점

지금 까지 자바의 컬렉션 프레임워크 자료구조 종류에 대해 간단히 알아보았다. 워낙 종류도 많고 똑같은 자료구조 이지만 각 쓰임새와 특징에 따라 나누니 정리하기가 까다롭다.
그렇다고 컬렉션 마다 일일히 특징을 외우기 보다는, 아래 그림을 통해 언제 어느때에 어떤 컬렉션을 선택하여 사용하면 좋을지 추적해보자.

ArrayList
- 리스트 자료구조를 사용한다면 기본 선택
- 임의의 요소에 대한 접근성이 뛰어남
- 순차적인 추가/삭제 제일 빠름
- 요소의 추가/삭제 불리
LinkedList
- 요소의 추가/삭제 유리
- 임의의 요소에 대한 접근성이 좋지 않음
HashMap / HashSet
- 해싱을 이용해 임의의 요소에 대한 추가/삭제/검색/접근성 모두 뛰어남
- 검색에 최고성능 ( get 메서드의 성능이 O(1) )
TreeMap / TreeSet
- 요소 정렬이 필요할때
- 검색(특히 범위검색)에 적합
- 그래도 검색 성능은 HashMap보다 떨어짐
LinkedHashMap / LinkedHashSet : HashMap과 HashSet에 저장 순서 유지 기능을 추
Queue : 스택(LIFO) / 큐(FIFO) 자료구조가 필요하면 ArrayDeque 사용
Stack, Hashtable : 가급적 사용 X (deprecated)

stack vs queue

stack: LIFO
queue: FIFO, 인터페이스로 가장 대표적인 구현 클래스가 PriorityQueue임

Tree

List, queue 등 연속적으로 값이 저장되는 선형 구조가 아닌 비연속적으로 값이 저장되는 비선형 자료구조
대표적으로 이진트리, BST(Binary Search Tree)가 있음

이진 트리: 포화 이진 트리, 완전 이진 트리, 정 이진 트리
BST(Binary search Tree): 효율적인 탐색을 위해 왼쪽 자식 노드와 오른쪽 자식 노드에 각기 작은 값과 큰 값을 저장해놓고 찾는 트리를 의미함. (이걸 위해 배열보다 데이터를 저장할 메모리 영역을 많이 사용함)
- 그러나 오름차순이거나 내림차순일떄처럼 한쪽으로만 노드가 추가되는 상황에서는 공간 복잡도를 늘인게 허무해질정도로 시간 복잡도가 비효율적이게 됨. 해결하려면 이진 트리에서 균형을 잡아야되는데 이걸 rebalancing이라 하고 가장 대표적인 리밸런싱이 레드 블랙 트리임
binary heap=최대힙/최소힙
- tree형식으로 된 완전 이진 트리임. 정렬이 되어있어 검색이 쉬움
레드 블랙 트리=RBT
- BST를 기반으로 구현했고 거기서 최대한 균형있게 완전 이진 트리로 구현하는 트리. 덕분에 BST의 depth를 최소화해서 시간복잡도를 줄일 수 있음
- 각 노드에 레드,블랙 색상을 둠
- RBT 는 BST 의 삽입, 삭제 연산 과정에서 발생할 수 있는 문제점을 해결하기 위해 만들어진 자료구조이다. 이를 어떻게 해결한 것인가?
- Collection 에서 TreeMap,HashMap에도 사용되는 자료구조로 매우 중요한 자료구조임

HashTable

내부적으로 배열을 사용해서 데이터를 저장함→ 검색이 매우 빠름(데이터 고유의 인덱스로 찾기 때문에 O(1)). 근데 문제는 이 고유의 인덱스에 저장되는 key값이 너무 불규칙함→ 그래서 특별한 알고리즘을 사용해 저장할 데이터와 연관된 고유의 숫자를 만들고 이를 인덱스로 사용함
여기서 Hash가 바로 특별한 알고리즘인 해시 함수를 의미함. 그리고 이 해시함수에 의해 반환된 고유의 값을 hashcode라고 함
하지만 문제는 어설픈 해시 함수를 통해서 key 값을 결정하면 동일한 값이 나오는 경우가 발생함. 동일한 key값에 여러개의 데이터가 존재하는거가 바로 collision임
그렇다면 어떤 조건을 만족해야 좋은 해시 함수가 되는가?
1. 해시 함수는 키의 일부분이 아니라 키 전체로 해시 값을 만들어야 함.
2. 어짜피 해시 함수를 1:1로 만드는건 현실적으로 불가능하고 그렇게 만들어봤자 필요한 메모리 용량도 커지고 array와 다를게 없음. 결국은 collision을 최소화하는 방향으로 만들고 어쨌든 collision이 발생할텐데 이걸 어떻게 처리할지가 중요한 해시 함수를 결정함=최대한 적은 collision이 발생하는 해시 함수를 만들고 collision이 발생했을떄 어떻게 할지가 중요하다~
그렇다면 collision 발생시 어떻게 해야될까?= 해싱된 인덱스에 이미 다른값이 있다면 새 데이터를 저장할 위치를 어떻게 찾아야될까?
1. open address(개방 주소법)
  - 해시 충돌(collision)이 발생하면 다른 해시 버킷(데이터 저장하는 공간)에 자료를 저장하는 방법
    1. linear probing: 순차적으로 탐색해 비어있는 버킷을 찾을때까지 계속 진행함
    2. quadratic probing: 2차 함수를 이용해 탐색할 위치를 찾음
    3. double hashing probing: 하나의 해시 함수에서 충돌이 발생하면 2차 해시 함수를 이용해 새로운 주소를 할당함. 가장 많은 연산량이 요구됨
  - 근데 worst case로 이런 과정을 거쳤는데도 비어있는 버킷을 못찾고 탐색을 시작한 처음 위치로 되돌아올 경우가 발생할 수 있음
2. separate chaining(분리 연결법)
  - 해시 버킷을 채운 밀도가 높아질수록 worst case 발생 빈도가 높아지는 open chaining 기법과 비교해, 이 방식은 보조 해시 함수를 조절해 worst case를 줄일 수 있어서 open chaining보다 훨씬 빠름
  - separate chaining을 구현하는 방식
    1. LinkedList를 사용한 방식
      - 버킷들을 LinkedList로 만들고 만약 collision이 발생하면 해당 버킷에 새로운 list를 추가하는 방식(연결 리스트 특징인 삽입과 삭제가 쉬우나 그 단점인 작은 데이터들을 저장할때는 연결 리스트 자체의 오버헤드가 부담이 됨)
    2. RBT를 사용한 방식
      - LinkedList 대신에 tree를 사용하는 방식. tree가 linkedList보다 메모리 사용량이 많기 때문에 적은 데이터는 LinkedList를 사용하는 방식을 이용해야됨.

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Queue 인터페이스

PriorityQueue 클래스

Deque 인터페이스

ArrayDeque 클래스

Set 인터페이스

HashSet 클래스

LinkedHashSet 클래스

TreeSet 클래스

enumSet 추상 클래스

Map 인터페이스

Map.Entry 인터페이스 <<<<뭔지?

HashMap 클래스

LinkedHashMap 클래스

TreeMap 클래스

HashTable 클래스

Properties 클래스

컬렉션 프레임워크 선택 시점

stack vs queue

Tree

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