Java 集合框架

Java 集合框架

早在 Java 2 中之前，Java 就提供了特設類。比如：Dictionary, Vector, Stack, 和 Properties 這些類用來儲存和操作物件組。

雖然這些類都非常有用，但是它們缺少一個核心的，統一的主題。由於這個原因，使用 Vector 類的方式和使用 Properties 類的方式有著很大不同。

集合框架被設計成要滿足以下幾個目標。

  • 該框架必須是高效能的。基本集合（動態陣列，連結串列，樹，雜湊表）的實現也必須是高效的。

  • 該框架允許不同型別的集合，以類似的方式工作，具有高度的互操作性。

  • 對一個集合的擴充套件和適應必須是簡單的。

為此，整個集合框架就圍繞一組標準介面而設計。你可以直接使用這些介面的標準實現，諸如： LinkedList, HashSet, 和 TreeSet 等,除此之外你也可以通過這些介面實現自己的集合。

從上面的集合框架圖可以看到，Java 集合框架主要包括兩種型別的容器，一種是集合（Collection），儲存一個元素集合，另一種是圖（Map），儲存鍵/值對對映。Collection 介面又有 3 種子型別，List、Set 和 Queue，再下面是一些抽象類，最後是具體實現類，常用的有 ArrayList、LinkedList、HashSet、LinkedHashSet、HashMap、LinkedHashMap 等等。

集合框架是一個用來代表和操縱集合的統一架構。所有的集合框架都包含如下內容：

  • 介面：是代表集合的抽象資料型別。例如 Collection、List、Set、Map 等。之所以定義多個介面，是為了以不同的方式操作集合物件

  • 實現（類）：是集合介面的具體實現。從本質上講，它們是可重複使用的資料結構，例如：ArrayList、LinkedList、HashSet、HashMap。

  • 演算法：是實現集合介面的物件裡的方法執行的一些有用的計算，例如：搜尋和排序。這些演算法被稱為多型，那是因為相同的方法可以在相似的介面上有著不同的實現。

除了集合，該框架也定義了幾個 Map 介面和類。Map 裡儲存的是鍵/值對。儘管 Map 不是集合，但是它們完全整合在集合中。

集合框架體系如圖所示

Java 集合框架提供了一套效能優良，使用方便的介面和類，java集合框架位於java.util包中， 所以當使用集合框架的時候需要進行導包。

集合介面

集合框架定義了一些介面。本節提供了每個介面的概述：

序號 介面描述
1 Collection 介面

Collection 是最基本的集合介面，一個 Collection 代表一組 Object，即 Collection 的元素, Java不提供直接繼承自Collection的類，只提供繼承於的子介面(如List和set)。

Collection 介面儲存一組不唯一，無序的物件。
2 List 介面

List介面是一個有序的 Collection，使用此介面能夠精確的控制每個元素插入的位置，能夠通過索引(元素在List中位置，類似於陣列的下標)來訪問List中的元素，第一個元素的索引為 0，而且允許有相同的元素。

List 介面儲存一組不唯一，有序（插入順序）的物件。
3 Set

Set 具有與 Collection 完全一樣的介面，只是行為上不同，Set 不儲存重複的元素。

Set 介面儲存一組唯一，無序的物件。
4 SortedSet
繼承於Set儲存有序的集合。
5 Map

Map 介面儲存一組鍵值物件，提供key（鍵）到value（值）的對映。
6 Map.Entry
描述在一個Map中的一個元素（鍵/值對）。是一個 Map 的內部介面。
7 SortedMap
繼承於 Map，使 Key 保持在升序排列。
8 Enumeration
這是一個傳統的介面和定義的方法，通過它可以列舉（一次獲得一個）物件集合中的元素。這個傳統介面已被迭代器取代。

Set和List的區別

  • 1. Set 介面例項儲存的是無序的，不重複的資料。List 介面例項儲存的是有序的，可以重複的元素。

  • 2. Set檢索效率低下，刪除和插入效率高，插入和刪除不會引起元素位置改變 <實現類有HashSet,TreeSet>。

  • 3. List和陣列類似，可以動態增長，根據實際儲存的資料的長度自動增長List的長度。查詢元素效率高，插入刪除效率低，因為會引起其他元素位置改變 <實現類有ArrayList,LinkedList,Vector> 。

集合實現類（集合類）

Java提供了一套實現了Collection介面的標準集合類。其中一些是具體類，這些類可以直接拿來使用，而另外一些是抽象類，提供了介面的部分實現。

標準集合類彙總於下表：

序號 類描述
1 AbstractCollection
實現了大部分的集合介面。
2 AbstractList
繼承於AbstractCollection 並且實現了大部分List介面。
3 AbstractSequentialList
繼承於 AbstractList ，提供了對資料元素的鏈式訪問而不是隨機訪問。
4 LinkedList

該類實現了List介面，允許有null（空）元素。主要用於建立連結串列資料結構，該類沒有同步方法，如果多個執行緒同時訪問一個List，則必須自己實現訪問同步，解決方法就是在建立List時候構造一個同步的List。例如： 

List list=Collections.synchronizedList(newLinkedList(...));

LinkedList 查詢效率低。
5 ArrayList

該類也是實現了List的介面，實現了可變大小的陣列，隨機訪問和遍歷元素時，提供更好的效能。該類也是非同步的,在多執行緒的情況下不要使用。ArrayList 增長當前長度的50%，插入刪除效率低。

6 AbstractSet
繼承於AbstractCollection 並且實現了大部分Set介面。
7 HashSet

該類實現了Set介面，不允許出現重複元素，不保證集合中元素的順序，允許包含值為null的元素，但最多隻能一個。
8 LinkedHashSet
具有可預知迭代順序的 Set 介面的雜湊表和連結列表實現。
9 TreeSet

該類實現了Set介面，可以實現排序等功能。
10 AbstractMap
實現了大部分的Map介面。
11 HashMap
HashMap 是一個散列表，它儲存的內容是鍵值對(key-value)對映。
該類實現了Map介面，根據鍵的HashCode值儲存資料，具有很快的訪問速度，最多允許一條記錄的鍵為null，不支援執行緒同步。
12 TreeMap
繼承了AbstractMap，並且使用一顆樹。
13 WeakHashMap
繼承AbstractMap類，使用弱金鑰的雜湊表。
14 LinkedHashMap
繼承於HashMap，使用元素的自然順序對元素進行排序.
15 IdentityHashMap
繼承AbstractMap類，比較文件時使用引用相等。

在前面的教程中已經討論通過java.util包中定義的類，如下所示：

序號 類描述
1 Vector

該類和ArrayList非常相似，但是該類是同步的，可以用在多執行緒的情況，該類允許設定預設的增長長度，預設擴容方式為原來的2倍。
2 Stack
棧是Vector的一個子類，它實現了一個標準的後進先出的棧。
3 Dictionary
Dictionary 類是一個抽象類，用來儲存鍵/值對，作用和Map類相似。
4 Hashtable

Hashtable 是 Dictionary(字典) 類的子類，位於 java.util 包中。
5 Properties
Properties 繼承於 Hashtable，表示一個持久的屬性集，屬性列表中每個鍵及其對應值都是一個字串。
6 BitSet
一個Bitset類建立一種特殊型別的陣列來儲存位值。BitSet中陣列大小會隨需要增加。

集合演算法

集合框架定義了幾種演算法，可用於集合和對映。這些演算法被定義為集合類的靜態方法。

在嘗試比較不相容的型別時，一些方法能夠丟擲 ClassCastException異常。當試圖修改一個不可修改的集合時，丟擲UnsupportedOperationException異常。

集合定義三個靜態的變數：EMPTY_SET，EMPTY_LIST，EMPTY_MAP的。這些變數都不可改變。

序號 演算法描述
1 Collection Algorithms
這裡是一個列表中的所有演算法實現。

如何使用迭代器

通常情況下，你會希望遍歷一個集合中的元素。例如，顯示集合中的每個元素。

一般遍歷陣列都是採用for迴圈或者增強for，這兩個方法也可以用在集合框架，但是還有一種方法是採用迭代器遍歷集合框架，它是一個物件，實現了Iterator 介面或 ListIterator介面。

迭代器，使你能夠通過迴圈來得到或刪除集合的元素。ListIterator 繼承了 Iterator，以允許雙向遍歷列表和修改元素。

序號 迭代器方法描述
1 使用 Java Iterator
這裡通過例項列出 Iterator 和 ListIterator 介面提供的所有方法。

遍歷 ArrayList

例項

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"); //第一種遍歷方法使用 For-Each 遍歷 List for (String str : list) { //也可以改寫 for(int i=0;i<list.size();i++) 這種形式 System.out.println(str); } //第二種遍歷，把連結串列變為陣列相關的內容進行遍歷 String[] strArray=new String[list.size()]; list.toArray(strArray); for(int i=0;i<strArray.length;i++) //這裡也可以改寫為 for(String str:strArray) 這種形式 { System.out.println(strArray[i]); } //第三種遍歷 使用迭代器進行相關遍歷 Iterator<String> ite=list.iterator(); while(ite.hasNext())//判斷下一個元素之後有值 { System.out.println(ite.next()); } } }

解析：

三種方法都是用來遍歷ArrayList集合，第三種方法是採用迭代器的方法，該方法可以不用擔心在遍歷的過程中會超出集合的長度。

遍歷 Map

例項

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"); //第一種：普遍使用，二次取值 System.out.println("通過Map.keySet遍歷key和value："); for (String key : map.keySet()) { System.out.println("key= "+ key + " and value= https://www.big2gb.com/cn2tw0.php?url=https://www.itread01.com/java/" + map.get(key)); } //第二種 System.out.println("通過Map.entrySet使用iterator遍歷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= https://www.big2gb.com/cn2tw0.php?url=https://www.itread01.com/java/" + entry.getValue()); } //第三種：推薦，尤其是容量大時 System.out.println("通過Map.entrySet遍歷key和value"); for (Map.Entry<String, String> entry : map.entrySet()) { System.out.println("key= " + entry.getKey() + " and value= https://www.big2gb.com/cn2tw0.php?url=https://www.itread01.com/java/" + entry.getValue()); } //第四種 System.out.println("通過Map.values()遍歷所有的value，但不能遍歷key"); for (String v : map.values()) { System.out.println("value= https://www.big2gb.com/cn2tw0.php?url=https://www.itread01.com/java/" + v); } } }

如何使用比較器

TreeSet和TreeMap的按照排序順序來儲存元素. 然而，這是通過比較器來精確定義按照什麼樣的排序順序。

這個介面可以讓我們以不同的方式來排序一個集合。

序號 比較器方法描述
1 使用 Java Comparator
這裡通過例項列出Comparator介面提供的所有方法

總結

Java集合框架為程式設計師提供了預先包裝的資料結構和演算法來操縱他們。

集合是一個物件，可容納其他物件的引用。集合介面宣告對每一種型別的集合可以執行的操作。

集合框架的類和介面均在java.util包中。

任何物件加入集合類後，自動轉變為Object型別，所以在取出的時候，需要進行強制型別轉換。