【Java基础】06-Java集合框架

Java 集合框架

Java 的集合框架将一些常用的数据结构封装成类，相当于 C++ STL 库中实现的抽象数据类型。其中声明了对各种集合类型执行的一般操作。如下定义了实现这些抽象数据类型的接口及它们的继承关系，包括 Set, List, Queue, Map, SortedSet, SortedMap 等，继承关系如下。

Collection 是 Java 定义的一个接口，实现该接口的是一个抽象类 AbstractCollection，通过继承关系，其子类陆续实现了一些抽象数据结构，如下所示。

Collection 接口中定义了一些常用方法，包括：

int size() —— 返回集合对象中包含的元素个数
boolean isEmpty() —— 判断集合对象中是否还包含元素，如果没有任何元素，则返回 true
boolean contains (Object obj) —— 判断对象是否在集合里面
boolean containsAll (Collection c) —— 判断方法的接受者对象是否包含集合中的所有元素
boolean add (Object obj) —— 向集合中增加对象
boolean addAll (Collection c) —— 将参数集合中的所有元素增加到接收者集合中
boolean remove (Object obj) —— 从集合中删除对象
boolean removeAll (Collection c) —— 将参数集合中的所有元素从接收者集合中删除
boolean retainAll (Collection c) —— 在接收者集合中保留参数集合中的所有元素，其它的元素都删除。
void clear() —— 删除集合中的所有元素。

Set 接口

Set 为集合接口，其中的 equals() 方法重写了 Object 类中的 equals() 方法。Object 类中的 equals() 方法是当比较的对象是同一个时，而不是内容相同才返回 true。而 Set 类中的 equals() 方法是判断两个对象的内容是否相同。

实现 Set 接口的类

基础的类包括 Hashset, TreeSet
其它实现的类和其子类：

AbstractSet
ConcurrentSkipListSet (基于跳表)
CopyOnWriteArraySet
EnumSet
JobStateReasons
LinkedHashset

SortedSet 接口

SortedSet 接口中的元素是升序排列的（C++ 中的 set 类本身是排好序的，相当于实现了这里的 SortedSet 接口），而且增加了和次序有关的操作，常用语存放词汇表这样的内容。实现它的类包括：ConcurrentSkipListSet, TreeSet。

List 接口

List 接口中可包含重复的元素，而且每个元素是有顺序的，每个元素都有一个 index 值（从 0 开始）标明元素在列表中的位置。

实现 List 接口的类

Vector：动态数组，线程安全，但是现在不太使用了（随机访问较为慢）
ArrayList：相当于实现数组的类，但是是动态数组，随机访问速度极快，非线程安全
LinkedList：内部实现是链表，适合于需要频繁插入和删除操作的应用场景
Stack：后进先出
其它：AbstractList, AbstractSequentialList, AttributeList, CopyOnWriteArrayList, RoleList, RoleUnresolvedList

Queue 接口

先进先出（FIFO）

实现 Queue 接口的类

LinkedList：先进先出的 List，链表实现
PriorityQueue：优先队列，实现了堆
其它：AbstractQueue, ArrayBlockingQueue, ArrayDeque(双端队列), ConcurrentLinkedQueue, DelayQueue, LinkedBlockingDeque, LinkedBlockingQueue, PriorityBlockingQueue, SynchronousQueue

Map 接口

Map 用于维护键值对 (Key - Value)，其中键的值不能重复，键和值的类型可以不同，所以泛型的传入类型有连个，分别为 Key 和 Value。

以下是 Map 接口和它的子接口和实现：

实现 Map 接口的类

HashMap
TreeMap
其它：AbstractMap, Attributes, AuthProvider, ConcurrentHashMap, ConcurrentSkipListMap(基于跳表), EnumMap, Hashtable, IdentityHashMap, LinkedHashMap, PrinterStateReasons, Properties, Provider, RenderingHints, SimpleBindings, TabularDataSupprot, UIDefaults, WeakHashMap

SortedMap 接口

是 Map 的子接口，其中的关键字是升序排列的（C++ 中的 map 类实现时其实就将关键字排序了）。

实现的接口

TreeMap
ConcurrentSkipListMap（支持并发）

算法

大多用于 List 对象，对标 C++ STL 中的 algorithm。其中的 min() 和 max() 适用于任何的实现了 Collection 接口的对象。

sort

和 C++ 中的 sort 差不多

默认将 List 元素按照升序排列
简单形式下将基本数据类型的元素按照自然次序排列，或者是元素的类实现了 Comparable 接口
第二种形式是附加一个 Comparator 对象作为参数，可以自己规定比较的规则，可以用于实现反序或者特殊次序的排序。
复杂度为 nlog(n)，稳定。

shuffle

用于将 List 中的元素打乱，采用随机的方式打乱。

其它常用算法

reverse()：将一个 List 中的元素反向排列
fill()：将某个值覆盖 List 中的每一个元素，常常用于 List 的初始化
copy()：接受源 List 和目标 List，将源中的元素复制到目标，覆写其中的内容，目标 List 的长度必须不得小于原 List，如果目标 List 更长，多余部分的内容保留原样。

二分查找，binarySearch()

在一个有序的 List 中查找指定的元素，List 中的元素必须已经排好序了。
和 sort() 一样，可以按照自然升序规则查找，也可以传入一个 Comparator 对象，自行设定比较规则，并假定 List 就是按照这种规则排序的。
容器必须是实现了 RandomAccess 接口的，否则只能线性查找。

min() 和 max()

可以用于任何集合对象，min() 返回最小值，max() 返回最大值。同样默认按照自然顺序规则计算返回，也可以自己定义 Comparator 对象自己定义比较规则。

数组的实用方法

Arrays 类

在 java.util.Arrays 包中
常用方法

fill (type[] a, type val)：将 a 的所有数据填充为 val。
equals (type[] a, type[] b)：比较是否内容相等，而不是比较是否同一。
sort (type[] a)：排序，如前文介绍
binarySearch ()：二分查找
asList (T… a)：将数组转化为 ArrayList 类型
toString (数组的引用)：实现到 String 的转换

测试数组的复制和填充

import java.util.Arrays;

public static void copyArrays(){
    int[] a = new int[6];
    int[] b = new int[10];
    Arrays.fill(a, 47);
    Arrays.fill(b, 99);
    for(int i: a){
        System.out.print(i+"\t");
    }
    System.out.println();
    for(int i: b){
        System.out.print(i+"\t");
    }
    System.out.println();
    System.arraycopy(a, 0, b, 0, a.length);
    for(int i: b){
        System.out.print(i+"\t");
    }
    System.out.println();
    int[] c = new int[5];
    Arrays.fill(c, 103);
    System.arraycopy(c, 0, a, 0, c.length);
    for(int i: a){
        System.out.print(i+"\t");
    }
    System.out.println();
    Integer[] u = new Integer[5];
    Integer[] v = new Integer[14];
    Arrays.fill(u, new Integer(34));
    Arrays.fill(v, new Integer(50));
    System.arraycopy(u, 0, v, 5, u.length);
    for(Integer i: v){
        System.out.print(i+"\t");
    }
    System.out.println();
}

测试的结果如下：

47 47 47 47 47 47
99 99 99 99 99 99 99 99 99 99
47 47 47 47 47 47 99 99 99 99
103 103 103 103 103 47
50 50 50 50 50 34 34 34 34 34 50 50 50 50

测试数组的比较

import java.util.Arrays;

public static void compareArrays(){
    int[] a1 = new int[10];
    int[] a2 = new int[10];
    Arrays.fill(a1, 7);
    Arrays.fill(a2, 7);
    System.out.println(Arrays.equals(a1, a2));
    a2[3] = 11;
    System.out.println(Arrays.equals(a1, a2));

    String[] s1 = new String[5];
    Arrays.fill(s1, "Hi");
    String[] s2 = {"Hi", "Hi", "Hi", "Hi", "Hi"};
    System.out.println(Arrays.equals(s1, s2));
}

结果如下:

true
false
true

Vector 和 ArrayList

两者都能够存储相同类型的对象，或者是有相同父类的对象，或者实现了公共接口的对象。
两者都不能存储基本数据类型的数据，而是要将基本数据类型包裹到类里面才能存储到 Vector 或者 ArrayList 中。如 int 类型要包裹到 Integer 类型中才能存储。
两者都是动态数组，容量都可以自动扩充
添加元素的效率比较高；当空间已满，需要扩充的时候例外
Vector 是集合框架中的遗留类，旧线程安全
ArrayList 方法是非同步的，效率较高
现在的 Java 提供了线程安全集合：Java.util.concurrent 包，所以现在 Vector 已经几乎被淘汰了
任何集合类都可以使用同步包装器使其变为线程安全的。
List synchArrayList = Collections.synchornisedList (new ArrayList ());

ArrayList 的构造方法

ArrayList()：构造一个空表，长度默认为10
ArrayLsit (Collection c)：用 c 中的元素为初始值构造一个表
ArrayList (int initialCapacity)：创建一个空表，长度为 initialCapacity

ArrayList 的其它方法

遍历 Collection

通过 Enumeration 以及 Iterator 接口

Java 中的许多方法（如 elements() ）都是返回 Enumeration 类型的对象，而不是返回 Collection 对象或者其中元素的对象
Enumeration 接口不能用于 ArrayList 对象，而 Iterator 接口既可以用于 ArrayList 对象也可以用于 Vector 对象。
Iterator 接口是对 Enumeration 接口的改进，所以优先使用 Iterator 接口。

Iterator

具有去除 Collection 对象中元素的能力
hasNext()：判断后面是否还有元素
next()：取得下一个元素
remove()：去除下一个 Collection 对象中的元素

举例如下:

import java.util.Vector;
import java.util.Iterator;

public static void iteratorTester(){
    String[] num = {"one", "two", "three", "four", "five",
            "six", "seven", "eight", "nine", "ten"};
    // 使用 asList() 将num包装成 ArrayList 类型
    Vector<String> avec = new Vector<>(java.util.Arrays.asList(num));
    System.out.println("Before Vector: " + avec);
    Iterator<String> it = avec.iterator();
    while(it.hasNext()){
        String s = (String)it.next();
        System.out.println(s);
        if(s.length()>4) it.remove();
    }
    System.out.println("After Vector: " + avec);
}