Java回顾之集合

　在这篇文章里，我们关注Java中的集合（Collection）。集合是编程语言中基础的一部分，Java自JDK早期，就引入了Java Collection Framework。设计JCF的那个人，后来还写了一本书，叫《Effective Java》。

　　Java中的集合主要集中在2部分，一部分是java.util包中，一部分是java.util.concurrent中，后者是在前者的基础上，定义了一些实现了同步功能的集合。

　　这篇文章主要关注java.util下的各种集合对象。Java中的集合对象可以粗略的分为3类：List、Set和Map。对应的UML图如下（包括了java.util下大部分的集合对象）：

　　（这张图经过缩放已经变形，完整清晰版图片请参见：https://files.cnblogs.com/wing011203/java_collection_structure.zip，解压缩后就可以看到未经缩放的版本。）

　　Collection概述

　　Java集合中的List和Set都从Collection出来，它是一个学习集合很不错的入口，它包含了集合中通常需要有的操作：

• 添加元素：add/addAll
• 清空集合：clear
• 删除元素：remove/removeAll
• 判断集合中是否包含某元素：contains/containsAll
• 判断集合是否为空：isEmpty
• 计算集合中元素的个数：size
• 将集合转换为数组：toArray
• 获取迭代器：iterator

　　我们来看一个简单的例子，下面的代码会返回一个集合，集合中的元素是随机生成的整数：

private static Collection initCollection()
{
    Collection<Integer> collection = new ArrayList<Integer>();
    Random r = new Random();
    for (int i = 0 ; i < 5; i++)
    {
        collection.add(new Integer(r.nextInt(100)));
    }
    
    return collection;
}

　　在对集合进行操作的过程中，遍历是一个经常使用的操作，我们可以使用两种方式对集合进行遍历：

　　1） 使用迭代器对集合进行遍历。正如上面描述Collection接口时所说，所有集合都会有一个迭代器，我们可以用它来遍历集合。

private static void accessCollectionByIterator(Collection<Integer> collection)
{
    Iterator<Integer> iterator = collection.iterator();
    System.out.println("The value in the list:");
    while(iterator.hasNext())
    {
        System.out.println(iterator.next());
    }
}

　　2）使用foreach遍历集合。

private static void accessCollectionByFor(Collection<Integer> collection)
{
    System.out.println("The value in the list:");
    for(Integer value : collection)
    {
        System.out.println(value);
    }
}

　　List

　　Java中的List是对数组的有效扩展，它是这样一种结构，如果不使用泛型，它可以容纳任何类型的元素，如果使用泛型，那么它只能容纳泛型指定的类型的元素。和数组相比，List的容量是可以动态扩展的。

　　List中的元素是可以重复的，里面的元素是“有序”的，这里的“有序”，并不是排序的意思，而是说我们可以对某个元素在集合中的位置进行指定。

　　List中常用的集合对象包括：ArrayList、Vector和LinkedList，其中前两者是基于数组来进行存储，后者是基于链表进行存储。其中Vector是线程安全的，其余两个不是线程安全的。

　　List中是可以包括null的，即使是使用了泛型。

　　ArrayList可能是我们平时用到的最多的集合对象了，在上述的示例代码中，我们也是使用它来实例化一个Collection对象，在此不再赘述。

　　Vector

　　Vector的示例如下，首先我们看如何生成和输出Vector：

private static void vectorTest1()
{
    List<Integer> list = new Vector<Integer>();
    for (int i = 0 ; i < 5; i++)
    {
        list.add(new Integer(100));
    }
    list.add(null);
    System.out.println("size of vector is " + list.size());
    System.out.println(list);
}

　　它的元素中，既包括了重复元素，也包括了null，输出结果如下：

size of vector is 6
[100, 100, 100, 100, 100, null]

　　下面的示例，演示了Vector中的一些常用方法：

private static void vectorTest2()
{
    Vector<Integer> list = new Vector<Integer>();
    Random r = new Random();
    for (int i = 0 ; i < 10; i++)
    {
        list.add(new Integer(r.nextInt(100)));
    }
    System.out.println("size of vector is " + list.size());
    System.out.println(list);
    System.out.println(list.firstElement());
    System.out.println(list.lastElement());
    System.out.println(list.subList(3, 8));
    List<Integer> temp = new ArrayList<Integer>();
    for(int i = 4; i < 7; i++)
    {
        temp.add(list.get(i));
    }
    list.retainAll(temp);
    System.out.println("size of vector is " + list.size());
    System.out.println(list);
}

　　它的输出结果如下：

size of vector is 10
[39, 41, 20, 9, 29, 32, 54, 12, 94, 82]
39
82
[9, 29, 32, 54, 12]
size of vector is 3
[29, 32, 54]

　　LinkedList

　　LinkedList使用链表来存储数据，它的示例代码如下：

 

　　这里列出了LinkedList常用的各个方法，从方法名可以看出，LinkedList也可以用来实现栈和队列。

　　输出结果如下：

size of linked list is 11
[17, 21, 5, 84, 19, 57, 68, 26, 27, 47, null]
17
17
null
17
17
null
17
21
null
5
size of linked list is 8
[100, 84, 19, 57, 68, 26, 27, 47]

　　Set

　　Set 和List类似，都是用来存储单个元素，单个元素的数量不确定。但Set不能包含重复元素，如果向Set中插入两个相同元素，那么后一个元素不会被插入。

　　Set可以大致分为两类：不排序Set和排序Set，不排序Set包括HashSet和LinkedHashSet，排序Set主要指TreeSet。其中HashSet和LinkedHashSet可以包含null。

　　HashSet

　　HashSet是由Hash表支持的一种集合，它不是线程安全的。

　　我们来看下面的示例，它和Vector的第一个示例基本上是相同的：

private static void hashSetTest1()
{
    Set<Integer> set = new HashSet<Integer>();
    
    for (int i = 0; i < 3; i++)
    {
        set.add(new Integer(100));
    }
    set.add(null);
    
    System.out.println("size of set is " + set.size());
    System.out.println(set);
}

　　这里，HashSet中没有包含重复元素，但包含了null，和Vector不同，这里的输出结果如下：

size of set is 2
[null, 100]

　　对于HashSet是如何判断两个元素是否是重复的，我们可以深入考察一下。Object中也定义了equals方法，对于HashSet中的元素，它是根据equals方法来判断元素是否相等的，为了证明这一点，我们可以定义个“不正常”的类型：

class MyInteger
{
    private Integer value;
    
    public MyInteger(Integer value)
    {
        this.value = value;
    }
    
    public String toString()
    {
        return String.valueOf(value);
    }
    
    public int hashCode()
    {
        return 1;
    }
    
    public boolean equals(Object obj)
    {
        return false;
    }
}

　　可以看到，对于MyInteger来说，对于任意两个实例，我们都认为它是不相等的。

　　下面是对应的测试方法：

private static void hashSetTest2()
{
    Set<MyInteger> set = new HashSet<MyInteger>();
    
    for (int i = 0; i < 3; i++)
    {
        set.add(new MyInteger(100));
    }
    
    System.out.println("size of set is " + set.size());
    System.out.println(set);
}

　　它的输出结果如下：

size of set is 3
[100, 100, 100]

　　可以看到，现在HashSet里有“重复”元素了，但对于MyInteger来说，它们不是“相同”的。

　　TreeSet

　　TreeSet是支持排序的一种Set，它的父接口是SortedSet。

　　我们首先来看一下TreeSet都有哪些基本操作：

private static void treeSetTest1()
{
    TreeSet<Integer> set = new TreeSet<Integer>();
    
    Random r = new Random();
    for (int i = 0 ; i < 5; i++)
    {
        set.add(new Integer(r.nextInt(100)));
    }

    System.out.println(set);
    System.out.println(set.first());
    System.out.println(set.last());
    System.out.println(set.descendingSet());
    System.out.println(set.headSet(new Integer(50)));
    System.out.println(set.tailSet(new Integer(50)));
    System.out.println(set.subSet(30, 60));
    System.out.println(set.floor(50));
    System.out.println(set.ceiling(50));
}

　　它的输出结果如下：

[8, 42, 48, 49, 53]
8
53
[53, 49, 48, 42, 8]
[8, 42, 48, 49]
[53]
[42, 48, 49, 53]
49
53

　　TreeSet中的元素，一般都实现了Comparable接口，默认情况下，对于Integer来说，SortedList是采用升序来存储的，我们也可以自定义Compare方式，例如以降序的方式来存储。

　　下面，我们首先重新定义Integer：

　　下面是测试代码：

private static void treeSetTest2()
{
    TreeSet<Integer> set1 = new TreeSet<Integer>();
    TreeSet<MyInteger2> set2 = new TreeSet<MyInteger2>();
    Random r = new Random();
    for (int i = 0 ; i < 5; i++)
    {
        int value = r.nextInt(100);
        set1.add(new Integer(value));
        set2.add(new MyInteger2(value));
    }
    System.out.println("Set1 as below:");
    System.out.println(set1);
    System.out.println("Set2 as below:");
    System.out.println(set2);
}

　　代码的运行结果如我们所预期的那样，如下所示：

Set1 as below:
[13, 41, 42, 45, 61]
Set2 as below:
[61, 45, 42, 41, 13]

　　Map

　　Map中存储的是“键值对”，和Set类似，Java中的Map也有两种：排序的和不排序的，不排序的包括HashMap、Hashtable和LinkedHashMap，排序的包括TreeMap。

　　非排序Map

　　HashMap和Hashtable都是采取Hash表的方式进行存储，HashMap不是线程安全的，Hashtable是线程安全的，我们可以把HashMap看做是“简化”版的Hashtable。

　　HashMap是可以存储null的，无论是对Key还是对Value。Hashtable是不可以存储null的。

　　无论HashMap还是Hashtable，我们观察它的构造函数，就会发现它可以有两个参数：initialCapacity和loadFactor，默认情况下，initialCapacity等于16，loadFactor等于0.75。这和Hash表中可以存放的元素数目有关系，当元素数目超过initialCapacity*loadFactor时，会触发rehash方法，对hash表进行扩容。如果我们需要向其中插入过多元素，需要适当调整这两个参数。

　　我们首先来看HashMap的示例：

private static void hashMapTest1()
{
    Map<Integer,String> map = new HashMap<Integer, String>();
    
    map.put(new Integer(1), "a");
    map.put(new Integer(2), "b");
    map.put(new Integer(3), "c");
    
    System.out.println(map);
    System.out.println(map.entrySet());
    System.out.println(map.keySet());
    System.out.println(map.values());
}

　　这会输出HashMap里的元素信息，如下所示。

{1=a, 2=b, 3=c}
[1=a, 2=b, 3=c]
[1, 2, 3]
[a, b, c]

　　下面的示例是对null的演示：

private static void hashMapTest2()
{
    Map<Integer,String> map = new HashMap<Integer, String>();
    
    map.put(null, null);
    map.put(null, null);
    map.put(new Integer(4), null);
    map.put(new Integer(5), null);
    
    System.out.println(map);
    System.out.println(map.entrySet());
    System.out.println(map.keySet());
    System.out.println(map.values());
}

　　执行结果如下：

{null=null, 4=null, 5=null}
[null=null, 4=null, 5=null]
[null, 4, 5]
[null, null, null]

　　接下来我们演示Hashtable，和上述两个示例基本上完全一样（代码不再展开）：

　　执行结果如下：

{3=c, 2=b, 1=a}
[3=c, 2=b, 1=a]
[3, 2, 1]
[c, b, a]
Exception in thread "main" java.lang.NullPointerException
    at java.util.Hashtable.put(Unknown Source)
    at sample.collections.MapSample.hashTableTest2(MapSample.java:61)
    at sample.collections.MapSample.main(MapSample.java:11)

　　可以很清楚的看到，当我们试图将null插入到hashtable中时，报出了空指针异常。

　　排序Map

　　排序Map主要是指TreeMap，它对元素增、删、查操作时的时间复杂度都是O（log（n））。它不是线程安全的。

　　它的特点和TreeSet非常像，这里不再赘述。