前言

Java集合框架概述; 主要总述Java集合框架的设计理念, 组成和基本接口(及其区别等)

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正文

一. 设计理念

1. 在Java 2之前，Java是没有完整的集合框架的。它只有一些简单的可以自扩展的容器类，比如Vector，Stack，Hashtable等)

2. Java集合其实就是一组对象的集合

3. 独立于实现细节, 方便重用, 保证向下兼容(即保留了Vector等旧的API)

4. 加强了API之间的互通信, 减少了新API的学习: 提供尽量统一的接口

二. 基本组成

2.1 总述

Java集合框架主要分为三个部分: 接口, 实现和算法

2.1-1 接口

接口指的是以Collection和Map为起始的一系列公用接口

实际上从Map出发的并不是真正的集合, 只是其包含集合视图操作, 所以也将其归入集合框架中

从Collection出发的公用接口主要有以下几个, 也是这次会着重讲解和比较的; 当然, 下面的接口并不全面, 在后面会逐渐扩展和补充

Collection基本接口.png

从Map出发的公用接口如下

Map基本接口.png

当然, 上述列举出来的子接口都是直接继承自Collection或者Map, 对于其子接口的子接口, 这里并没有列出在这里(比如NavigableMap接口是SortedMap接口的子接口, 而不是直接继承Map的, 所以这里并没有直接列出来)

2.1-2 实现

实现指的是接口的实现类, 这里笔者在官网找到一张表, 如下, 很好的列出了平时重点所用的实现类

当然, 还应该包含Java 2以前几个旧API, 即: Vector, Stack, Hashtable

2.1-3 算法

(1). 算法

算法指的是以Collections为主的提供的一系列对集合的操作, 参见下图, 列出了其提供的常用算法

Collections方法.png

下面对上述方法进行一些简单解释

1. sort(List): 使用归并排序, 保证NlogN的时间复杂度和稳定性

2. binarySearch(List, Object): 在一个有序的List中使用二分查找

3. reverse(List): 逆转List

4. shuffle(List): 将List中的元素随机重排

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

6. copy(List dest, List src): 拷贝

7. min(Collection): 返回最小值

8. max(Collection): 返回最大值

9. rotate(List list, int distance): 将List中元素旋转指定distance

10. replaceAll(List list, Object oldVal, Object newVal): 将List中出现的所有oldVal替换为newVal

11. indexOfSubList(List source, List target): 返回source中与target匹配的第一个子项的首元素索引

12. lastIndexOfSubList(List source, List target): 返回最后一个匹配子项的首元素索引

13. swap(List, int, int): 交换指定位置的两个元素

14. frequency(Collection, Object): 找出指定元素出现次数

15. disjoint(Collection, Collection): 判断两个集合是否包含相同元素(即集合是否相交)

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

(2). 包装类

当然, 实际上Collections提供的不仅仅是针对集合的算法, 其还提供了一系列对集合的包装类(即Wrapper), 主要包括以下三大类:

1. Collections.unmodifiableInterface(): 返回一个不可修改的集合, 包括UnmodifiableCollection, UnmodifiableSet, UnmodifiableList; 实现原理是在修改集合的操作上(如add(), remove()等)抛出异常

2. Collections.synchronizedInterface(): 返回一个线程安全的集合, 包括SynchronizedCollection, SynchronizedSet, SynchronizedList; 实现原理是在需要同步的方法上添加synchronized限制

3. Collections.checkedInterface(): 返回一个类型检查的集合, 包括CheckedCollection, CheckedQueue, CheckedSet, CheckedList; 实现原理是在add()的时候进行类型检查, 如果是非法类型, 就抛出异常ClassCastException; 这里的类型检查实际上是使用Class.isInstance()来检查的, 关于该方法和instanceof运算符的区别, 参见博客; (大致上, 二者是等价的, 只是isInstance()是在运行时才进行类型检查, 故可用于反射, 泛型;
   但是instanceof需要在编译时知道类的具体类型(重点理解在动态等价))

这些包装类的作用主要是满足平时一些特殊的需求, 比如同步, 不可修改等

三. 基本接口

在这一节, 主要讲解上面提到的几个基本接口, 这里不会涉及到其实现类

3.1 Collection

Collection是集合框架中一个最顶层的基本接口, 提供了一个数据集的基本描述, 在官方API中并没有提供其直接实现类, 而是在其基础上提供了进一步的限制接口, 即List, Set, Queue; 这样做的好处有:

1. 代码复用: 从面向对象的角度讲, 抽取出一个顶级接口, 有助于用户代码复用, 即编写一个接口, 实现不同传参(Collection的各种实现类), 实际上也是利用了多态(官方文档的解释是: 实现最大通用性)

2. 易于扩展: 符合面向对象的思想, 即将数据集抽象, 通过不同的需求对其实现不同方便的限制, 易于扩展; 同时减少新API学习成本

Collection提供了数据操作的基本方法, 如add(), remove(), size(), clear()等; 同时, 其还继承了Iterable接口, 这个接口是用于使用迭代器遍历集合用的, 使用迭代器遍历集合的优点是我们不必知道集合的内部结果,集合的内部结构、状态由Iterator来维持, 通过统一的方法hasNext(), next()来判断和获取下一个元素

3.2 List

List在Collection上做的限制是, 元素有序(但并不是排序), 允许重复元素; 同时还将迭代器换成了ListIterator; 关于ListIterator, 其允许双向的迭代, 以及元素插入(ListIterator.add()), 删除(ListIterator.remove())和替换ListIterator.set()

在JDK9中, 还提供了一个List.of()的静态方法, 用于返回一个不可变List(Immutable List)

3.3 Set

Set在Collection上做的限制是, 元素不重复, 至多一个null元素

在JDK9中, 还提供了一个Set.of()的静态方法, 用于返回一个不可变的Set

3.4 Queue

Queue在Collection上做的限制是, 除了Collection提供的基本操作外, 还提供了一些额外的操作, 分为两类, 一个返回特定值, 另一个抛出异常, 见下表

3.5 Map

Map本质上是一组键值对, Map允许单独访问key(通过keySet()返回key的Set), 也可以单独访问value(通过values()方法返回value的Collection), 也可以通过entrySet()获取key-value的对应关系

四. 参考链接

1. 官方文档--集合框架指南

2. 集合框架的分类

3. 集合框架设计理念答疑文档