Java集合框架

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Java集合框架

Reference Link: http://www.runoob.com/java/java-collections.html

集合框架被设计成要满足以下几个目标。

  • 该框架必须是高性能的。基本集合（动态数组，链表，树，哈希表）的实现也必须是高效的。
  • 该框架允许不同类型的集合，以类似的方式工作，具有高度的互操作性。
  • 对一个集合的扩展和适应必须是简单的。
    为此，整个集合框架就围绕一组标准接口而设计。你可以直接使用这些接口的标准实现，如下图所示，诸如： LinkedList, HashSet, 和 TreeSet 等,除此之外你也可以通过这些接口实现自己的集合。

JavaCollectionsUML

从上面的集合框架图可以看到，Java 集合框架主要包括两种类型的容器，一种是集合（Collection），存储一个元素集合，另一种是图（Map），存储键/值对映射。Collection 接口又有 3 种子类型，List、Set 和 Queue，再下面是一些抽象类，最后是具体实现类，常用的有 ArrayList、LinkedList、HashSet、LinkedHashSet、HashMap、LinkedHashMap 等等。

集合框架是一个用来代表和操纵集合的统一架构。所有的集合框架都包含如下内容：

  • 接口：是代表集合的抽象数据类型。例如 Collection、List、Set、Map 等。之所以定义多个接口，是为了以不同的方式操作集合对象
  • 实现（类）：是集合接口的具体实现。从本质上讲，它们是可重复使用的数据结构，例如：ArrayList、LinkedList、HashSet、HashMap。
  • 算法：是实现集合接口的对象里的方法执行的一些有用的计算，例如：搜索和排序。这些算法被称为多态，那是因为相同的方法可以在相似的接口上有着不同的实现。
    除了集合，该框架也定义了几个 Map 接口和类。Map 里存储的是键/值对。尽管 Map 不是集合，但是它们完全整合在集合中。

集合框架体系如图所示:

JavaCollArch

集合接口

  1. Collection 接口

Collection 是最基本的集合接口，一个 Collection 代表一组 Object，即 Collection 的元素, Java不提供直接继承自Collection的类，只提供继承于的子接口(如List和set)。
Collection 接口存储一组不唯一，无序的对象。

  1. List 接口

List接口是一个有序的 Collection，使用此接口能够精确的控制每个元素插入的位置，能够通过索引(元素在List中位置，类似于数组的下标)来访问List中的元素，第一个元素的索引为 0，而且允许有相同的元素。
List 接口存储一组不唯一，有序（插入顺序）的对象。

  1. Set 接口

Set 具有与 Collection 完全一样的接口，只是行为上不同，Set 不保存重复的元素。
Set 接口存储一组唯一，无序的对象。

  1. SortedSet 接口

继承于Set保存有序的集合。

  1. Map 接口

Map 接口存储一组键值对象，提供key（键）到value（值）的映射。

  1. Map.Entry 接口

描述在一个Map中的一个元素（键/值对）。是一个Map的内部类。

  1. SortedMap 接口

继承于 Map，使 Key 保持在升序排列。

  1. Enumeration 接口

这是一个传统的接口和定义的方法，通过它可以枚举（一次获得一个）对象集合中的元素。这个传统接口已被迭代器取代。

  1. Queue 接口

Queue是队列实现，实现了先进先出功能。

集合实现类（集合类）

抽象类

类名 内容
AbstractCollection 实现了大部分的集合接口。
AbstractList 继承于AbstractCollection 并且实现了大部分List接口。
AbstractSequentialList 继承于 AbstractList ，提供了对数据元素的链式访问而不是随机访问。
AbstractSet 继承于AbstractCollection 并且实现了大部分Set接口。
AbstractMap 实现了大部分的Map接口。

集合类

类名 内容
LinkedList 该类实现了List接口，允许有null（空）元素。主要用于创建链表数据结构，该类没有同步方法，如果多个线程同时访问一个List，则必须自己实现访问同步，解决方法就是在创建List时候构造一个同步的List。例如: Listlist=Collections.synchronizedList(newLinkedList(...)); LinkedList 查找效率低。
ArrayList 该类也是实现了List的接口，实现了可变大小的数组，随机访问和遍历元素时，提供更好的性能。该类也是非同步的,在多线程的情况下不要使用。ArrayList 增长当前长度的50%，插入删除效率低。
HashSet 该类实现了Set接口，不允许出现重复元素，不保证集合中元素的顺序，允许包含值为null的元素，但最多只能一个。
LinkedHashSet 具有可预知迭代顺序的 Set 接口的哈希表和链接列表实现。
TreeSet 该类实现了Set接口，可以实现排序等功能。
HashMap HashMap 是一个散列表，它存储的内容是键值对(key-value)映射。该类实现了Map接口，根据键的HashCode值存储数据，具有很快的访问速度，最多允许一条记录的键为null，不支持线程同步。
TreeMap 继承了AbstractMap，并且使用一颗树。
WeakHashMap 继承AbstractMap类，使用弱密钥的哈希表。
LinkedHashMap 继承于HashMap，使用元素的自然顺序对元素进行排序.
IdentityHashMap 继承AbstractMap类，比较文档时使用引用相等。

其他：数据结构类

类名 内容
Vector 该类和ArrayList非常相似，但是该类是同步的，可以用在多线程的情况，该类允许设置默认的增长长度，默认扩容方式为原来的2倍。
Stack 栈是Vector的一个子类，它实现了一个标准的后进先出的栈。
Dictionary Dictionary 类是一个抽象类，用来存储键/值对，作用和Map类相似。
Hashtable Hashtable 是 Dictionary(字典) 类的子类，位于 java.util 包中。
Properties Properties 继承于 Hashtable，表示一个持久的属性集，属性列表中每个键及其对应值都是一个字符串。
BitSet 一个Bitset类创建一种特殊类型的数组来保存位值。BitSet中数组大小会随需要增加。

遍历示例代码

遍历ArrayList

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import java.util.*;
 
public class Test{
 public static void main(String[] args) {
     List<String> list=new ArrayList<String>();
     list.add("Hello");
     list.add("World");
     list.add("HAHAHAHA");
     //第一种遍历方法使用foreach遍历List
     for (String str : list) {            //也可以改写for(int i=0;i<list.size();i++)这种形式
        System.out.println(str);
     }
 
     //第二种遍历，把链表变为数组相关的内容进行遍历
     String[] strArray=new String[list.size()];
     list.toArray(strArray);
     for(int i=0;i<strArray.length;i++) //这里也可以改写为  foreach(String str:strArray)这种形式
     {
        System.out.println(strArray[i]);
     }
     
    //第三种遍历 使用迭代器进行相关遍历
     
     Iterator<String> ite=list.iterator();
     while(ite.hasNext())//判断下一个元素之后有值
     {
         System.out.println(ite.next());
     }
 }
}

遍历Map

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import java.util.*;
 
public class Test{
     public static void main(String[] args) {
      Map<String, String> map = new HashMap<String, String>();
      map.put("1", "value1");
      map.put("2", "value2");
      map.put("3", "value3");
      
      //第一种：普遍使用，二次取值
      System.out.println("通过Map.keySet遍历key和value：");
      for (String key : map.keySet()) {
       System.out.println("key= "+ key + " and value= " + map.get(key));
      }
      
      //第二种
      System.out.println("通过Map.entrySet使用iterator遍历key和value：");
      Iterator<Map.Entry<String, String>> it = map.entrySet().iterator();
      while (it.hasNext()) {
       Map.Entry<String, String> entry = it.next();
       System.out.println("key= " + entry.getKey() + " and value= " + entry.getValue());
      }
      
      //第三种：推荐，尤其是容量大时
      System.out.println("通过Map.entrySet遍历key和value");
      for (Map.Entry<String, String> entry : map.entrySet()) {
       System.out.println("key= " + entry.getKey() + " and value= " + entry.getValue());
      }
    
      //第四种
      System.out.println("通过Map.values()遍历所有的value，但不能遍历key");
      for (String v : map.values()) {
       System.out.println("value= " + v);
      }
     }
}

题外话： Java 数组

Java 数组是很容易和Java动态数组(ArrayList)进行混淆的数据结构。其实Java数组本身并不具有方法，唯一的属性是length。对于数组的大小也不能改变，很多功能需要借助Utility类Arrays提供的静态方法。

Java中的所有数组都是通过Array类实例化。Array类没有public的构造方法，数组是通过Array的newInstance()方法进行实例化。Java数组是支持所有类型的，也就是说对于自定义引用类型，也能创建数组类型，但是与动态数组的方式不同，内存分配机制上也有所不同。

Array类源码

数组类的实现主要基于本地方法创建，申请分配一段连续内存，每一个数组元素支持强类型检查。长度不支持扩展。

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package com.lang;

public final class System {
    //System 类不能被实例化。 
    private System() {}
    //在 System 类提供的设施中，有标准输入、标准输出和错误输出流；对外部定义的属性
    //和环境变量的访问；加载文件和库的方法；还有快速复制数组的一部分的实用方法。
    /**
    * src and dest都必须是同类型或者可以进行转换类型的数组．
    * @param      src      the source array.
    * @param      srcPos   starting position in the source array.
    * @param      dest     the destination array.
    * @param      destPos  starting position in the destination data.
    * @param      length   the number of array elements to be copied.
     */
    public static native void arraycopy(Object src, int srcPos, Object dest,
            int destPos, int length);
}
package com.lang.reflect;

public final class Array {
    private Array() {}
    
    //创建一个具有指定的组件类型和维度的新数组。
    public static Object newInstance(Class<?> componentType, int length)
            throws NegativeArraySizeException {
        return newArray(componentType, length);
   }

    private static native Object newArray(Class componentType, int length)
            throws NegativeArraySizeException;
}

数组声明与初始化

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//直接声明空数组
dataType[] arrayRefVar = new dataType[arraySize];
//直接引入数组元素，用花括弧创建
int [] arrayRefVar2 = {1, 2, 3};
//访问时通过下标访问
System.out.println(arrayRefVar2[0]);

多维数组声明与初始化

多维数组其实就是一维数组的嵌套扩展，维度取决于数组各个元素的类型，如果是一个数组则能增加一个维度。因此多维数组的创建与访问也是基于一维数组的方法。Array类属性只有length一个，访问是基于下标的。

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//直接声明矩阵二维数组
dataType[][] arrayRefVar = new dataType[colsize][rowsize];
//分段申明非矩阵二维数组
dataType[][] arrayRefVar2 = new dataType[colsize][];
arrayRefVar2[0] = new dataType[row1size];
arrayRefVar2[1] = new dataType[row2size];
//直接引入数组元素，用嵌套花括弧创建，按照维度分配，第一个是第一列
int[][] arrayint = {
  {1, 2, 3},
  {2, 3, 4}
}
//直接引入数组元素，用下标顺序填入
int[][] array2 = {new int[2], new int[3]};

//数组的访问是基于下标 array2[col][row]

题外话: Arrays 类

java.util.Arrays 类能方便地操作数组，它提供的所有方法都是静态的。
具有以下功能：

  • 给数组赋值：通过 fill 方法。
  • 对数组排序：通过 sort 方法,按升序。
  • 比较数组：通过 equals 方法比较数组中元素值是否相等。
  • 查找数组元素：通过 binarySearch 方法能对排序好的数组进行二分查找法操作。
方法名 内容
public static int binarySearch(Object[] a, Object key) 用二分查找算法在给定数组中搜索给定值的对象(Byte,Int,double等)。数组在调用前必须排序好的。如果查找值包含在数组中，则返回搜索键的索引；否则返回 (-(插入点) - 1)。
public static boolean equals(long[] a, long[] a2) 如果两个指定的 long 型数组彼此相等，则返回 true。如果两个数组包含相同数量的元素，并且两个数组中的所有相应元素对都是相等的，则认为这两个数组是相等的。换句话说，如果两个数组以相同顺序包含相同的元素，则两个数组是相等的。同样的方法适用于所有的其他基本数据类型（Byte，short，Int等）。
public static void fill(int[] a, int val) 将指定的 int 值分配给指定 int 型数组指定范围中的每个元素。同样的方法适用于所有的其他基本数据类型（Byte，short，Int等）。
public static void sort(Object[] a) 对指定对象数组根据其元素的自然顺序进行升序排列。同样的方法适用于所有的其他基本数据类型（Byte，short，Int等）。

题外话： Collections 类