前言

Java集合框架概述; 主要總述Java集合框架的設計理念, 組成和基本接口(及其區別等)

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正文

一. 設計理念

1. 在Java 2之前，Java是沒有完整的集合框架的。它只有一些簡單的可以自擴展的容器類，比如Vector，Stack，Hashtable等)

2. Java集合其實就是一組對象的集合

3. 獨立于實現細節, 方便重用, 保證向下兼容(即保留了Vector等舊的API)

4. 加強了API之間的互通信, 減少了新API的學習: 提供盡量統一的接口

二. 基本組成

2.1 總述

Java集合框架主要分為三個部分: 接口, 實現和算法

2.1-1 接口

接口指的是以Collection和Map為起始的一系列公用接口

實際上從Map出發的并不是真正的集合, 只是其包含集合視圖操作, 所以也將其歸入集合框架中

從Collection出發的公用接口主要有以下幾個, 也是這次會著重講解和比較的; 當然, 下面的接口并不全面, 在后面會逐漸擴展和補充

Collection基本接口.png

從Map出發的公用接口如下

Map基本接口.png

當然, 上述列舉出來的子接口都是直接繼承自Collection或者Map, 對于其子接口的子接口, 這里并沒有列出在這里(比如NavigableMap接口是SortedMap接口的子接口, 而不是直接繼承Map的, 所以這里并沒有直接列出來)

2.1-2 實現

實現指的是接口的實現類, 這里筆者在官網找到一張表, 如下, 很好的列出了平時重點所用的實現類

當然, 還應該包含Java 2以前幾個舊API, 即: Vector, Stack, Hashtable

2.1-3 算法

(1). 算法

算法指的是以Collections為主的提供的一系列對集合的操作, 參見下圖, 列出了其提供的常用算法

Collections方法.png

下面對上述方法進行一些簡單解釋

1. sort(List): 使用歸并排序, 保證NlogN的時間復雜度和穩定性

2. binarySearch(List, Object): 在一個有序的List中使用二分查找

3. reverse(List): 逆轉List

4. shuffle(List): 將List中的元素隨機重排

5. fill(List, Object): 使用指定值(Object)覆蓋List中所有元素

6. copy(List dest, List src): 拷貝

7. min(Collection): 返回最小值

8. max(Collection): 返回最大值

9. rotate(List list, int distance): 將List中元素旋轉指定distance

10. replaceAll(List list, Object oldVal, Object newVal): 將List中出現的所有oldVal替換為newVal

11. indexOfSubList(List source, List target): 返回source中與target匹配的第一個子項的首元素索引

12. lastIndexOfSubList(List source, List target): 返回最后一個匹配子項的首元素索引

13. swap(List, int, int): 交換指定位置的兩個元素

14. frequency(Collection, Object): 找出指定元素出現次數

15. disjoint(Collection, Collection): 判斷兩個集合是否包含相同元素(即集合是否相交)

16. addAll(Collection<? super T>, T...): 將指定元素添加到指定集合中

(2). 包裝類

當然, 實際上Collections提供的不僅僅是針對集合的算法, 其還提供了一系列對集合的包裝類(即Wrapper), 主要包括以下三大類:

1. Collections.unmodifiableInterface(): 返回一個不可修改的集合, 包括UnmodifiableCollection, UnmodifiableSet, UnmodifiableList; 實現原理是在修改集合的操作上(如add(), remove()等)拋出異常

2. Collections.synchronizedInterface(): 返回一個線程安全的集合, 包括SynchronizedCollection, SynchronizedSet, SynchronizedList; 實現原理是在需要同步的方法上添加synchronized限制

3. Collections.checkedInterface(): 返回一個類型檢查的集合, 包括CheckedCollection, CheckedQueue, CheckedSet, CheckedList; 實現原理是在add()的時候進行類型檢查, 如果是非法類型, 就拋出異常ClassCastException; 這里的類型檢查實際上是使用Class.isInstance()來檢查的, 關于該方法和instanceof運算符的區別, 參見博客; (大致上, 二者是等價的, 只是isInstance()是在運行時才進行類型檢查, 故可用于反射, 泛型;
   但是instanceof需要在編譯時知道類的具體類型(重點理解在動態等價))

這些包裝類的作用主要是滿足平時一些特殊的需求, 比如同步, 不可修改等

三. 基本接口

在這一節, 主要講解上面提到的幾個基本接口, 這里不會涉及到其實現類

3.1 Collection

Collection是集合框架中一個最頂層的基本接口, 提供了一個數據集的基本描述, 在官方API中并沒有提供其直接實現類, 而是在其基礎上提供了進一步的限制接口, 即List, Set, Queue; 這樣做的好處有:

1. 代碼復用: 從面向對象的角度講, 抽取出一個頂級接口, 有助于用戶代碼復用, 即編寫一個接口, 實現不同傳參(Collection的各種實現類), 實際上也是利用了多態(官方文檔的解釋是: 實現最大通用性)

2. 易于擴展: 符合面向對象的思想, 即將數據集抽象, 通過不同的需求對其實現不同方便的限制, 易于擴展; 同時減少新API學習成本

Collection提供了數據操作的基本方法, 如add(), remove(), size(), clear()等; 同時, 其還繼承了Iterable接口, 這個接口是用于使用迭代器遍歷集合用的, 使用迭代器遍歷集合的優點是我們不必知道集合的內部結果,集合的內部結構、狀態由Iterator來維持, 通過統一的方法hasNext(), next()來判斷和獲取下一個元素

3.2 List

List在Collection上做的限制是, 元素有序(但并不是排序), 允許重復元素; 同時還將迭代器換成了ListIterator; 關于ListIterator, 其允許雙向的迭代, 以及元素插入(ListIterator.add()), 刪除(ListIterator.remove())和替換ListIterator.set()

在JDK9中, 還提供了一個List.of()的靜態方法, 用于返回一個不可變List(Immutable List)

3.3 Set

Set在Collection上做的限制是, 元素不重復, 至多一個null元素

在JDK9中, 還提供了一個Set.of()的靜態方法, 用于返回一個不可變的Set

3.4 Queue

Queue在Collection上做的限制是, 除了Collection提供的基本操作外, 還提供了一些額外的操作, 分為兩類, 一個返回特定值, 另一個拋出異常, 見下表

3.5 Map

Map本質上是一組鍵值對, Map允許單獨訪問key(通過keySet()返回key的Set), 也可以單獨訪問value(通過values()方法返回value的Collection), 也可以通過entrySet()獲取key-value的對應關系

四. 參考鏈接

1. 官方文檔--集合框架指南

2. 集合框架的分類

3. 集合框架設計理念答疑文檔