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 這些類用來存儲和操作對象組。

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。

  • 該框架必須是高性能的。基本集合（動態數組，鏈表，樹，哈希表）的實現也必須是高效的。

  • 該框架允許不同類型的集合，以類似的方式工作，具有高度的互操作性。

  • 對一個集合的擴展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類型的容器，一種是集合（Collection），存儲一個元素集合，另一種是圖（Map），存儲鍵/值對映射。Collection 介面又有 3 種子類型，List、Set 和 Queue，再下麵是一些抽象類，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：是代表集合的抽象數據類型。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對象

  • 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數據結構，例如：ArrayList、LinkedList、HashSet、HashMap。

  • 演算法：是實現集合介面的對象裏的方法執行的一些有用的計算，例如：搜索和排序。這些演算法被稱為多態，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 裏存儲的是鍵/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性能優良，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 介面存儲一組不唯一，無序的對象。
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，類似於數組的下標)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 介面存儲一組不唯一，有序（插入順序）的對象。
3 Set

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

Set 介面存儲一組唯一，無序的對象。
4 SortedSet
繼承於Set保存有序的集合。
5 Map

Map 介面存儲一組鍵值對象，提供key（鍵）到value（值）的映射。
6 Map.Entry
描述在一個Map中的一個元素（鍵/值對）。是一個Map的內部類。
7 SortedMap
繼承於 Map，使 Key 保持在昇冪排列。
8 Enumeration
這是一個傳統的介面和定義的方法，通過它可以枚舉（一次獲得一個）對象集合中的元素。這個傳統介面已被迭代器取代。

Set和List的區別

  • 1. Set 介面實例存儲的是無序的，不重複的數據。List 介面實例存儲的是有序的，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和數組類似，可以動態增長，根據實際存儲的數據的長度自動增長List的長度。查找元素效率高，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。

標準集合類匯總於下表：

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 ，提供了對數據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。主要用於創建鏈表數據結構，該類沒有同步方法，如果多個線程同時訪問一個List，則必須自己實現訪問同步，解決方法就是在創建List時候構造一個同步的List。例如： 

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

LinkedList 查找效率低。
5 ArrayList

該類也是實現了List的介面，實現了可變大小的數組，隨機訪問和遍曆元素時，提供更好的性能。該類也是非同步的,在多線程的情況下不要使用。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，但最多只能一個。
8 LinkedHashSet
具有可預知迭代順序的 Set 介面的哈希表和鏈接列表實現。
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，它存儲的內容是鍵值對(key-value)映射。
該類實現了Map介面，根據鍵的HashCode值存儲數據，具有很快的訪問速度，最多允許一條記錄的鍵為null，不支持線程同步。
12 TreeMap
繼承了AbstractMap，並且使用一顆樹。
13 WeakHashMap
繼承AbstractMap類，使用弱密鑰的哈希表。
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，比較文檔時使用引用相等。

在前面的教學中已經討論通過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，可以用在多線程的情況，該類允許設置默認的增長長度，默認擴容方式為原來的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，用來存儲鍵/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類創建一種特殊類型的數組來保存位值。BitSet中數組大小會隨需要增加。

集合演算法

集合框架定義了幾種演算法，可用於集合和映射。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類型時，一些方法能夠拋出 ClassCastException異常。當試圖修改一個不可修改的集合時，拋出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
這裏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，你會希望遍曆一個集合中的元素。例如，顯示集合中的每個元素。

一般遍歷數組都是採用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曆集合框架，它是一個對象，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，以允許雙向遍曆列表和修改元素。

序號 迭代器方法描述
1 使用 Java Iterator
這裏通過實例列出Iterator和listIterator介面提供的所有方法。

遍曆 ArrayList

實例

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"); //第一種遍曆方法使用 For-Each 遍曆 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); } //第二種遍曆，把鏈表變為數組相關的內容進行遍曆 String[] strArray=new String[list.size()]; list.toArray(strArray); for(int i=0;i<strArray.length;i++) //這裏也可以改寫為 for(String str:strArray) 這種形式 { System.out.println(strArray[i]); } //第三種遍曆 使用迭代器進行相關遍曆 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曆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曆的過程中會超出集合的長度。

遍曆 Map

實例

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遍曆key和value："); for (String key : map.keySet()) { System.out.println("key= "+ key + " and value= " + map.get(key)); } //第二種 System.out.println("通過Map.entrySet使用iterator遍曆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()); } //第三種：推薦，尤其是容量大時 System.out.println("通過Map.entrySet遍曆key和value"); for (Map.Entry<String, String> entry : map.entrySet()) { System.out.println("key= " + entry.getKey() + " and value= " + entry.getValue()); } //第四種 System.out.println("通過Map.values()遍曆所有的value，但不能遍曆key"); for (String v : map.values()) { System.out.println("value= " + v); } } }

如何使用比較器

TreeSet和TreeMap的按照排序順序來存儲元素. 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
這裏通過實例列出Comparator介面提供的所有方法

總結

Java集合框架為程式員提供了預先包裝的數據結構和演算法來操縱他們。

集合是一個對象，可容納其他對象的引用。集合介面聲明對每一種類型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。

任何對象加入集合類後，自動轉變為Object類型，所以在取出的時候，需要進行強制類型轉換。