Java集合框架综述

 350vip葡京集团     |      2019-12-29 05:25

最近被陆陆续续问了几遍HashMap的实现,回答的不好,打算复习复习JDK中的集合框架,并尝试分析其源码,这么做一方面是这些类非常实用,掌握其实现能更好的优化我们的程序;另一方面是学习借鉴JDK是如何实现了这么一套优雅高效的类库,提升编程能力。

集合框架

集合代表了一组对象(和数组一样,但数组长度不能变,而集合能)。Java中的集合框架定义了一套规范,用来表示、操作集合,使具体操作与实现细节解耦。

前言:凡是使用 Java 编程的,几乎肯定会用到集合框架,比如 ArrayList、LinkedList、HashSet、HashMap 等,集合框架的代码绝对是大师级的实现,所以为了更好地使用集合框架,我们有必要系统地学习下集合框架的内容。

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在介绍具体适合类之前,本篇文章对Java中的集合框架做一个大致描述,从一个高的角度俯视这个框架,了解了这个框架的一些理念与约定,会大大帮助后面分析某个具体类,让我们开始吧。

设计理念

主要理念用一句话概括就是:提供一套“小而美”的API。API需要对程序员友好,增加新功能时能让程序员们快速上手。
为了保证核心接口足够小,最顶层的接口(也就是Collection与Map接口)并不会区分该集合是否可变(mutability),是否可更改(modifiability),是否可改变大小(resizability)这些细微的差别。相反,一些操作是可选的,在实现时抛出UnsupportedOperationException即可表示集合不支持该操作。集合的实现者必须在文档中声明那些操作是不支持的。

一、接口综述

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集合框架(collections framework)

首先要明确,集合代表了一组对象(和数组一样,但数组长度不能变,而集合能)。Java中的集合框架定义了一套规范,用来表示、操作集合,使具体操作与实现细节解耦。

其实说白了,可以把一个集合看成一个微型数据库,操作不外乎“增删改查”四种操作,我们在学习使用一个具体的集合类时,需要把这四个操作的时空复杂度弄清楚了,基本上就可以说掌握这个类了。

两大基类Collection与Map

在集合框架的类继承体系中,最顶层有两个接口:
Collection表示一组纯数据
Map表示一组key-value对
一般继承自Collection或Map的集合类,会提供两个“标准”的构造函数:
350vip葡京集团,没有参数的构造函数,创建一个空的集合类
有一个类型与基类(Collection或Map)相同的构造函数,创建一个与给定参数具有相同元素的新集合类
因为接口中不能包含构造函数,所以上面这两个构造函数的约定并不是强制性的,但是在目前的集合框架中,所有继承自Collection或Map的子类都遵循这一约定。

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Collection

如上图所示,Collection类主要有三个接口:
Set
表示不允许有重复元素的集合(A collection that contains no duplicate elements)
List
表示允许有重复元素的集合(An ordered collection (also known as a sequence))
Queue
JDK1.5新增,与上面两个集合类主要是的区分在于Queue主要用于存储数据,而不是处理数据。(A collectiondesigned for holding elements prior to processing.)

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Map

Map并不是一个真正意义上的集合(are not true collections),但是这个接口提供了三种“集合视角”(collection views ),使得可以像操作集合一样操作它们,具体如下:
把map的内容看作key的集合(map’s contents to be viewed as a set of keys)
把map的内容看作value的集合(map’s contents to be viewed as a collection of values)
把map的内容看作key-value映射的集合(map’s contents to be viewed as a set ofkey-value mappings)

  集合框架的整体结构图如下(摘自《Thinking In Java》):

简化图:

设计理念

主要理念用一句话概括就是:提供一套“小而美”的API。API需要对程序员友好,增加新功能时能让程序员们快速上手。
为了保证核心接口足够小,最顶层的接口(也就是Collection与Map接口)并不会区分该集合是否可变(mutability),是否可更改(modifiability),是否可改变大小(resizability)这些细微的差别。相反,一些操作是可选的,在实现时抛出UnsupportedOperationException即可表示集合不支持该操作。集合的实现者必须在文档中声明那些操作是不支持的。

为了保证最顶层的核心接口足够小,它们只能包含下面情况下的方法:

  1. 基本操作,像之前说的“增删改查”
  2. There is a compelling performance reason why an important implementation would want to override it.

此外,所有的集合类都必须能提供友好的交互操作,这包括没有继承Collection类的数组对象。因此,框架提供一套方法,让集合类与数组可以相互转化,并且可以把Map看作成集合。

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两大基类Collection与Map

在集合框架的类继承体系中,最顶层有两个接口:

  • Collection表示一组纯数据
  • Map表示一组key-value对

一般继承自CollectionMap的集合类,会提供两个“标准”的构造函数:

  • 没有参数的构造函数,创建一个空的集合类
  • 有一个类型与基类(CollectionMap)相同的构造函数,创建一个与给定参数具有相同元素的新集合类

因为接口中不能包含构造函数,所以上面这两个构造函数的约定并不是强制性的,但是在目前的集合框架中,所有继承自CollectionMap的子类都遵循这一约定。

  上图也许有些复杂,因为包含了很多我们很少用到的抽象类,其实,只需要记住下面两张图即可(摘自张龙的 collection 集合教程):

说明:对于以上的框架图有如下几点说明

Collection

350vip葡京集团 6java-collection-hierarchy

如上图所示,Collection类主要有三个接口:

  • Set表示不允许有重复元素的集合(A collection that contains no duplicate elements)
  • List表示允许有重复元素的集合(An ordered collection (also known as a sequence))
  • Queue JDK1.5新增,与上面两个集合类主要是的区分在于Queue主要用于存储数据,而不是处理数据。(A collection designed for holding elements prior to processing.)

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  1. 所有集合类都位于java.util包下。Java的集合类主要由两个接口派生而出:Collection和Map,Collection和Map是Java集合框架的根接口,这两个接口又包含了一些子接口或实现类。
  2. 集合接口:6个接口,表示不同集合类型,是集合框架的基础。
  3. 抽象类:5个抽象类,对集合接口的部分实现。可扩展为自定义集合类。
  4. 实现类:8个实现类,对接口的具体实现。
  5. Collection 接口是一组允许重复的对象。
  6. Set 接口继承 Collection,集合元素不重复。
  7. List 接口继承 Collection,允许重复,维护元素插入顺序。
  8. Map接口是键-值对象,与Collection接口没有什么关系。
  9. Set、List和Map可以看做集合的三大类:
    • List集合是有序集合,集合中的元素可以重复,访问集合中的元素可以根据元素的索引来访问。
    • Set集合是无序集合,集合中的元素不可以重复,访问集合中的元素只能根据元素本身来访问(也是集合里元素不允许重复的原因)。
    • Map集合中保存Key-value对形式的元素,访问时只能根据每项元素的key来访问其value。

Map

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MapClassHierarchy

Map并不是一个真正意义上的集合(are not true collections),但是这个接口提供了三种“集合视角”(collection views ),使得可以像操作集合一样操作它们,具体如下:

  • 把map的内容看作key的集合(map’s contents to be viewed as a set of keys)
  • 把map的内容看作value的集合(map’s contents to be viewed as a collection of values)
  • 把map的内容看作key-value映射的集合(map’s contents to be viewed as a set of key-value mappings)

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总结

今天先开个头,后面会陆陆续续来一系列干货,Stay Tuned。

需要说明一点,今后所有源码分析都将基于Oracle JDK 1.7.0_71,请知悉。

$ java -version
java version "1.7.0_71"
Java(TM) SE Runtime Environment (build 1.7.0_71-b14)
Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM (build 24.71-b01, mixed mode)

  Collection 接口里定义了如下操作集合元素的方法:

大致说明

  • boolean add(Object o):用于向集合里添加一个元素,如果集合对象被添加操作确实改变了,则返回 true。
  • boolean addAll(Collection c):把集合 c 里的所有元素添加到指定集合里,如果集合对象被添加操作改变了,则返回 true。
  • void clear():清除集合里的所有元素,将集合长度变为 0.
  • boolean contain(Object o):判断集合里是否包含指定元素,包含则返回 true。
  • boolean containAll(Collection c):判断集合里是否包含集合 c 里的所有元素。
  • boolean isEmpty():判断集合是否为空,当集合长度为 0 时返回 true。
  • Iterator iterator():返回一个 Iterator 对象,用于遍历集合里的元素。
  • boolean remove(Object o):删除集合中指定的元素 o,当集合里包含了一个或多个元素 o 时,这些元素将被删除,该方法返回 true。
  • boolean removeAll(Collection c):从集合中删除集合 c 里面包含的所有元素,如果删除了一个或多个元素,则返回 true。
  • boolean retainAll(Collection c):从集合中删除集合 c 里不包含的元素,如果删除了一个或多个元素,则返回 true。
  • int size():该方法返回集合里的元素的个数
  • Object[] toArray():该方法把集合转换成一个数组,所有的集合元素变成对应的数组元素。

看上面的框架图,先抓住它的主干,即Collection和Map。