浅谈 Java 集合框架

作者：宇宙之一粟

2022 年 1 月 31 日
本文字数：3579 字
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Java 最初版本只提供了最初的几个 Java 集合框架个类：

• Vector

• Stack

• Hashable

• BitSet

• Enumeration

其中 Enumeration 接口提供了一种用于访问任意容器中各个元素的抽象机制。Java 集合类库将接口（ interface ）与实现（implementation）分离。

队列是如何分离的

队列是如何分离的队列涉及的几个操作：

• 在队尾添加元素

• 在队头删除元素

• 查找队列中元素的个数

特点：先入先出队列的接口：

public interface Queue<E> // a simplified form of the interface in the stardard library
{  void add(E element);  E remove();  int size();}

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在数据结构课中，队列通常有两种实现方式：

使用循环数组；但这种方式的局限是队列的长度有限。
使用链表代码表示如下：

public class CircularArrayQueue<E> implements Queue<E>  // not an actual library class{    private int head;    private int tail;        CircularArrayQueue(int capacity) {...}        public void add(E element) {...}    public E remove() {...}    public int size() {...}    private E[] elements;}
public class LinkedListQueue<E> implements Queue<E>  // not an actual library class{    private Link head;    private Link tail;        LinkedListQueue() {...}    public void add(E element) {...}    public E remove() {...}    public int size() {...}}

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注释：实际上，Java 类库没有名为 CirclularArrayQueue 和 LinkedListQueue 的类。这里只是以这些类作为示例来解释集合接口与实现在概念上的区分。

Queue 的使用

假设定义了上述的 CircularArrayQueue 和 LinkedListQueue 之后，就可以直接使用：

Queue<Customer> expressLane = new CircularArrayQueue<>(100);expressLane.add(new Customer("Harry")

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Queue<Customer> expressLane = new LinkedListQueue<>();expressLane.add(new Customer("Bug")

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循环数组要比链表高效，因此多数人优先选择循环数组。

但是循环数组是一个有界数组，即容量有限。如果使用的对象数量没有上限，最好使用链表实现。

Collection 接口

所有通用集合实现都有一个带有 Collection 参数的构造函数，此构造函数初始化新集合以包含指定集合中的所有元素，即它允许转换集合的类型。

如把一个 Collection<String> s，它可以转化成 List、Set 或其他类型的 Collection。如：

List<String> s = new ArrayList<String>(c);

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Collection 接口包含执行基本操作的方法：

int size()
boolean isEmpty()
boolean contains(Object element
boolean add(E element)
boolean remove(Object element)
Interator<E> interator()

Collection 接口还包含对整个集合进行操作的方法：

boolean containsAll(Collection<?> c)
boolean addAll(Collection<? extends E> c)
boolean removeAll(Collection<?> c)
boolean retainAll(Collection<?> c)
void clear()

Collection 接口还存在用于数组操作的附加方法，例如：

Object[] toArray()
<T> T[] toArray(T[] a)

JDK 8 及更高版本中，Collection 接口还公开方法 Stream<E> stream() 和 Stream<E> parallelStream()，帮助从底层集合中获取顺序或并行流。

public interface Collection<E> {  boolean add(E element);  Interator<E> iterator();  // 返回一个用于访问集合中各个元素的迭代器}

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add 方法用于向集合中添加元素。如果成功添加元素改变了集合就返回 true；如果集合没有发生改变就返回 false。比如在集合（ set ）中添加一个对象，如果这个元素在集合中已经存在，这时 add 方法就没有奏效，因为集合中不允许有重复的对象。

interator 方法用于返回一个实现了 Interator 接口的对象，可以使用这个迭代器对象依次访问集合中的元素。

集合遍历接口--迭代器

Iterator 接口包含 4 个方法：

public interface Interator<E> {  E next(); // 返回将要访问的下一个对象。如果已经到达了集合的末尾，将抛出一个 NoSuchElement-Exception  boolean hasNext();  // 如果存在另一个可访问的元素，返回 true  void remove();  // 删除上次访问的对象。这个方法必须紧跟在访问一个元素之后执行。如果上次访问之后集合已经发生了变化，这个方法将会抛出一个 IllegalStateException  default void forEachRemaining(Consumer<? super E> action); // 访问元素，并传递到指定的动作，直到再没有更多元素，或者这个动作抛出一个异常}

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通过反复调用 next 方法，可以逐个访问集合中的每个元素。但是，如果到达了集合的末尾，next 方法将抛出一个 NoSuchElementException。因此，在需要调用 next 之前调用 hasNext 方法。

hashNext 如果迭代器对象还有多个可以访问的元素，这个方法就返回 true。

Collection<String> c = ...;Interator<String> iter = c.iterator();while (iter.hasNext()) {  String element = iter.next();  // do something with element}

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用 for each 循环可以更加简练地表达同样的循环操作：

for (String element : c) {  // do something with element  System.out.Println(element);}

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for each 循环可以处理任何实现了 Iterable 接口的对象，这个对象只包含一个抽象方法：

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

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JDK8 及更高版本中，迭代集合的首选方法是获取流并对其执行聚合操作。聚合操作需要与 Lambda 表达式结合使用，以使用较少的代码使编程更具表现力。

myShapeCollection.stream()  .filter(e -> e.getColor() == Color.RED)  .forEach(e -> System.out.Println(e.getName()));

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访问元素的顺序取决于集合类型。

如果迭代处理一个 ArrayList，迭代器索引从 0 开始，没迭代一次，索引值加 1 。
如果访问 HashSet 中的元素，会按照一种基本上随机的顺序获得元素。（每一次访问的顺序都是唯一的）

Iterator 接口的 remove 方法将会删除上次调用 next 方法时返回的元素。目的是：删除某个元素前最该先看一下这个元素。

集合接口批量操作

批量操作对整个集合执行操作。包含基本的方法有：

contailsAll : 如果目标 Collection 包含指定 Collection 中的所有元素，就返回 true。
addAll : 将指定 Collection 中的所有元素添加到目标 Collection。
removeAll : 从目标 Collection 中删除包含在指定 Collection 中的所有元素。
retainAll : 从目标 Collection 中删除所有所有未包含在指定 Collection 中删除所有未包含在指定 Collection 中的元素。
clear : 从集合中删除所有元素。

如，检测任意集合是否包含指定元素的泛型方法：

public static <E> boolean contains(Collection<E> c, Object obj) {    for (E element : c)    if (element.equals(obj))        return true;    return false;}

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其他方法

还有一些实用方法非常有用，应该将它们提供给用户实用。下面列举一部分：

int size()  // 返回当前存储在集合中的元素个数boolean isEmpty() // 如何集合中没有元素，返回 trueboolean contains(Object obj)  // 如果集合中包含了一个与obj相等的元素，返回trueboolean equals(Object other)  // 如果集合与 other 集合相等，返回trueboolean add(E element) // 将一个元素添加到集合中。由于这个调用改变了集合，返回 trueboolean addAll(Collection<? extends E> from) // 将 other 集合中的所有元素添加到这个集合。如果由于这个调用改变了这个集合，返回trueboolean remove(Object obj)  // 从这个集合中删除等于 obj 的对象。如果有匹配的对象被删除，返回trueboolean removeAll(Collection<?> c) // 从这个集合中删除obj集合中存在的所有元素。如果这个调用改变了集合，返回truedefault boolean removeIf(Predicate<? super E> filter // JDK8, 从这个集合中删除filter返回true的所有元素，如果因为这个调用改变了集合，返回truevoid clear() // 从这个集合中删除所有的元素boolean retainAll(Collection<?> c) // 从这个集合中删除所有与other集合元素不同的元素。如果由于这个调用改变了集合，返回trueObject[] toArray() // 返回这个集合中的对象的数组<T> T[] toArray(T[] arrayToFill)

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<T> T[] toArray(T[] arrayToFill) ：返回这个集合中的对象的数组。如果 arrayToFill 足够大，就将集合中的元素填入这个数组中，剩余空间填补 null；否则，分配一个新数组，其成员类型与 arrayToFill 的成员类型相同，其长度等于集合的大小，并填充集合元素。