Java集合框架总览

Java集合

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。

接口：代表集合的抽象数据类型。例如 Collection、List、Set、Queue、Map 等，这些接口以不同的方式操作集合对象。

具体类：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。Collections和Arrays提供了这些算法的实现。

下图是《Java编程思想》给出的Java集合框架：

点线框表示接口；实线框表示具体类；带空心箭头的点线表示一个特定的类实现了一个接口；带实心箭头的点线表示某个类可以生成箭头所指的对象；

迭代器（Iterator）

迭代器：迭代器就是对“逐一访问所有元素”这一操作的抽象。实际上就是对一组对象之间的位置，直接后继等关系的集成。

对序列进行遍历时，迭代器始终维护一个当前元素，并且提供访问序列下一个元素的机制，第一次对“访问下一个元素”操作的访问就会给出最初始的当前元素。

因而，根据这些描述，则迭代器必须有：

boolean hasnext()     //检查是否有剩余元素
E getnext()          //返回下一元素

1.Iterator接口

Iterator接口就是Java在Util包中提供的一个迭代器接口，其思路是通过iterator方法，每个集合均可创建并返回给客户一个实现了Iterator接口的对象，并且将当前位置的概念在对象内部存储下来。

其定义为：

public interface Iterator<E>{
    boolean hasNext();
    E next();
    void remove();  //移除迭代器返回的最后一个元素
}

对于remove()操作，需要注意的是，调用一次remove()之后，不能再次调用该方法，除非又一次调用了next()方法。

2.Iterable接口

Iterable接口返回的是Iterator接口的一个实例，设置这一接口是为了让容器能有不同的遍历方式，通过继承Iterable接口，就能实现多个不同的Iterator类，例如前向迭代、反向迭代、随机迭代等等。

public interface Iterable<T> {
  Iterator<T> iterator();
}

3.集合类均实现Iterable接口的原因

1.Iterator接口的核心方法next()或者hasNext() 是依赖于迭代器的当前迭代位置的。 如果Collection直接实现Iterator接口，势必导致集合对象中包含当前迭代位置的数据(指针)。当集合在不同方法间被传递时，由于当前迭代位置不可预置，那么next()方法的结果会变成不可预知。 除非再为Iterator接口添加一个reset()方法，用来重置当前迭代位置。但即时这样，Collection也只能同时存在一个当前迭代位置。而Iterable则不然，每次调用都会返回一个从头开始计数的迭代器。多个迭代器是互不干扰的。

2.如上所说，让集合可以有更加灵活的迭代方式。

4.增强的for循环

当编译器看到一个正在用于Iterable对象的增强for循环时，它用对iterator方法的那些调用代替增强for循环以得到一个Iterator对象，然后调用其方法。

例如：

public static <E> void print(Collection<E> collection){
    for(E item:collection){
        System.out.println(item);
    }
}

编译器将其重写为：

public static <E> void print(Collection<E> collection){
    Iterator<E> it = collection.iterator();
    while (it.hasNext()){
        E item = it.next();
        System.out.println(item);
    }
}

Collection与Map

Collection抽象了集合的概念，它存储一组同一类型的对象。其关键接口(部分)如下：

public interface Collection<E> extends Iterable<E>{
    int size();              //返回元素数量
    boolean isEmpty();     //判断是否为空
    void clear();     //清空集合
    boolean contains(E x);   //判断是否包含某元素
    boolean add(E x);    //添加某元素
    boolean remove(E x);   //移除某元素
    Iterator<E> iterator();   //返回一个迭代器
    Object[] toArray();     //返回一个由这些元素组成的对象数组
}

Map是一种存放一组条目的容器，条目是一种形如(key,value)的组合对象。其关键接口(部分)如下：

public interface Map<K,V>{
    int size();
    boolean isEmpty();
    void clear();
    boolean containsKey(Object Key);   //判断是否包含某键
    boolean containsValue(Object value);   //判断是否包含某元素
    V get(Object key);      //获取某键对应的元素
    V put(K key,V value);    //添加某键值对
    V remove(Object key);    //移除某键对应的键值对
    V replace(K key,V value);    //仅当某键对应有值时替换该值
    boolean replace(K key,V oldValue,V newValue);   //替换为新值，若无对应旧值，则添加
}

Comparator与Comparable

1.Comparator接口

Comparator是比较器接口，可以实现比较器接口来构建一个比较器，即定义了该类的实例的大小规则。常用方法是将其提供给序列的排序函数。

其定义为：

public interface Comparator<T> {
    int compare(T o1, T o2);
    boolean equals(Object obj);
}

值得注意的是，任何对象都已实现了equals(Object obj)方法，故实现Comparator接口时可只实现compare方法不实现equals方法。

2.Comparable接口

Comparable可以看作排序接口，任何实现了Comparable接口的类可支持排序，将其称作”自然排序“。例如某list中的类实现了Comparable接口，那么可以使用Collections.sort(list)来对list进行排序。

其定义为：

public interface Comparable<T>{
    int comparaTo(T o);
}

值得注意的是，需要确保ComparaTo方法与equals方法的结果保持一致，否则会出现一些问题(在有序集或有序映射与自然排序一起使用时会表现会超出预期，显得奇怪)，因而建议重写equals方法。

综上来说，可以将Comparable接口看作”内部比较器"，类实现了comparable接口之后，可以直接调用排序方法；而可以将Comparator接口看作”外部比较器“，当类的设计者没有考虑类的排序时，可以将类与Comparator接口绑定，从而实现排序。

一个实例：

import java.util.*;

public class Test {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        ArrayList<Person> list = new ArrayList<>();
        list.add(new Person("Ming",171));
        list.add(new Person("Hong", 165));
        list.add(new Person("Xi",165));
        list.add(new Person("Long",181));
        System.out.println(list);
        Collections.sort(list);            //使用自然排序
        System.out.println(list);
        Collections.sort(list,new PersonComparator());  //使用外接比较器排序
        System.out.println(list);
    }

    private static class Person implements Comparable<Person>{
        String name;
        int tall;

        Person(String name, int tall) {
            this.name = name;
            this.tall = tall;
        }

        public String toString(){
            return name + "-"+ tall;
        }

        @Override
        public int compareTo(Person person) {    //实现自然排序接口，按照名字排序
            return name.compareTo(person.name);
        }

        boolean equals(Person person){   //重写equals规则
            if (this.name.equals(person.name)){
                return true;
            }
            return false;
        }
    }

    static class PersonComparator implements Comparator<Person> {  //实现比较器接口，按照身高排序
        @Override
        public int compare(Person p1, Person p2) {
            return p1.tall - p2.tall;
        }
    }
}
//结果
[Ming-171, Hong-165, Xi-165, Long-181]
[Hong-165, Long-181, Ming-171, Xi-165]
[Hong-165, Xi-165, Ming-171, Long-181]

Collections

Collections仅包含对集合进行操作或返回集合的静态方法，它包含对集合操作的多态算法。其中部分关键API如下（参数已省略）：

public class Collections extends Object{
    boolean addAll​()；  //为集合添加给定元素
    Queue<T> asLifoQueue​();   //将Deque变为先进后出的Queue
    int binarySearch​();          //二分查找某对象
    xxx checkedxxx();     //返回指定xxx的动态类型安全视图
    void copy();   //将列表里所以元素拷贝到另一个列表
    boolean disjiont();   //判断两个集合是否有交集
    xxx emptyxxx();     //返回一个空的xxx集合
    void fill();      //用给定的对象填充集合
    int frequency();    //返回集合中等于指定对象的元素数量
    int indexOfSubList();    //返回目标列表在源列表的起始位置​
    int lastindexOfSubList();    //返回目标列表在源列表的结束位置​
    T max();
    T min();
    void reverse();    //反转集合
    void rotate​();      //按指定距离轮转集合
    void shuffle();    //置乱集合
    void sort();       //排序集合
    void swap();      //交换指定两个元素
    xxx synchronizedxxx();        //返回线程安全的xxx
    xxx unmodifiablexxx();  //返回不可修改的xxx视图
}

Arrays

Arrays包含用于操作数组的各种方法以及asList()方法，其部分API如下(参数已省略)：

public class Arrays extends Object{
    List<T> asList​(T... a)     //给定对象创建一个列表
    int binarySearch();      //二分查找某值
    int compare();    //按字典顺序比较两个值
    int compareUnsigned();  //​按字典顺序比较两个值,这两个值视为无符号的
    xxx copyOf​();       //拷贝数组指定长度的元素
    xxx copyOfRange();    //指定起始位置和长度来拷贝数组元素
    int mismatch();     //查找两个数组第一个不匹配的索引
    void parallelPrefix();      //并行地对给的子数组的所有元素施加某种操作
    void parallelSetAll();    //使用生成器函数​​并行地设置给的子数组的所有元素
    void parallelSort();   //并行排序
    void sort();    //排序
    Spliterator<T> Spliterator();   //返回覆盖指定数组地拆分器
    Stream<T> Stream();   //返回指定数组元素构成的流
    String toString();
    boolean equals();  //判断两元素是否相等
    void fill();      //以指定元素填充数组
    int hashCode​();
    boolean deepEquals();  //deepxxx适用于嵌套数组的情况
    int deepHashcode();
    String deepToString(); 
}

后续为集合框架中的那些实现类以及对应的数据结构。