Java集合简介

什么是集合

什么是集合（Collection）？集合就是“由若干个确定的元素所构成的整体”。

在数学中，我们经常遇到集合的概念。例如：

• 有限集合：
  • 一个班所有的同学构成的集合；
  • 一个网站所有的商品构成的集合；
  • …
• 无限集合：
  • 全体自然数集合：1，2，3，……
  • 有理数集合；
  • 实数集合；
  • …

为什么要在计算机中引入集合呢？这是为了便于处理一组类似的数据，例如：

• 计算所有同学的总成绩和平均成绩；
• 列举所有的商品名称和价格；
• ……

在Java中，如果一个Java对象可以在内部持有若干其他Java对象，并对外提供访问接口，我们把这种Java对象称为集合。很显然，Java的数组可以看作是一种集合：

String[] ss = new String[10]; // 可以持有10个String对象
ss[0] = "Hello"; // 可以放入String对象
String first = ss[0]; // 可以获取String对象

既然Java提供了数组这种数据类型，可以充当集合，那么，我们为什么还需要其他集合类？这是因为数组有如下限制：

• 数组初始化后大小不可变；
• 数组只能按索引顺序存取。

因此，我们需要各种不同类型的集合类来处理不同的数据，例如：

• 可变大小的顺序链表；
• 保证无重复元素的集合；
• …

Collection

Java标准库自带的java.util包提供了集合类：Collection，它是除Map外所有其他集合类的根接口。Java的java.util包主要提供了以下三种类型的集合：

• List：一种有序列表的集合，例如，按索引排列的Student的List；
• Set：一种保证没有重复元素的集合，例如，所有无重复名称的Student的Set；
• Map：一种通过键值（key-value）查找的映射表集合，例如，根据Student的name查找对应Student的Map。

Java集合的设计有几个特点：一是实现了接口和实现类相分离，例如，有序表的接口是List，具体的实现类有ArrayList，LinkedList等，二是支持泛型，我们可以限制在一个集合中只能放入同一种数据类型的元素，例如：

List<String> list = new ArrayList<>(); // 只能放入String类型

最后，Java访问集合总是通过统一的方式——迭代器（Iterator）来实现，它最明显的好处在于无需知道集合内部元素是按什么方式存储的。

由于Java的集合设计非常久远，中间经历过大规模改进，我们要注意到有一小部分集合类是遗留类，不应该继续使用：

• Hashtable：一种线程安全的Map实现；
• Vector：一种线程安全的List实现；
• Stack：基于Vector实现的LIFO的栈。

还有一小部分接口是遗留接口，也不应该继续使用：

• Enumeration：已被Iterator取代。

小结

Java的集合类定义在java.util包中，支持泛型，主要提供了3种集合类，包括List，Set和Map。Java集合使用统一的Iterator遍历，尽量不要使用遗留接口。

迭代器Iterator

Java的集合类都可以使用for each循环，List、Set和Queue会迭代每个元素，Map会迭代每个key。以List为例：

List<String> list = List.of("Apple", "Orange", "Pear");
for (String s : list) {
    System.out.println(s);
}

实际上，Java编译器并不知道如何遍历List。上述代码能够编译通过，只是因为编译器把for each循环通过Iterator改写为了普通的for循环：

for (Iterator<String> it = list.iterator(); it.hasNext(); ) {
     String s = it.next();
     System.out.println(s);
}

我们把这种通过Iterator对象遍历集合的模式称为迭代器。

使用迭代器的好处在于，调用方总是以统一的方式遍历各种集合类型，而不必关系它们内部的存储结构。

例如，我们虽然知道ArrayList在内部是以数组形式存储元素，并且，它还提供了get(int)方法。虽然我们可以用for循环遍历：

for (int i=0; i<list.size(); i++) {
    Object value = list.get(i);
}

但是这样一来，调用方就必须知道集合的内部存储结构。并且，如果把ArrayList换成LinkedList，get(int)方法耗时会随着index的增加而增加。如果把ArrayList换成Set，上述代码就无法编译，因为Set内部没有索引。

用Iterator遍历就没有上述问题，因为Iterator对象是集合对象自己在内部创建的，它自己知道如何高效遍历内部的数据集合，调用方则获得了统一的代码，编译器才能把标准的for each循环自动转换为Iterator遍历。

如果我们自己编写了一个集合类，想要使用for each循环，只需满足以下条件：

• 集合类实现Iterable接口，该接口要求返回一个Iterator对象；
• 用Iterator对象迭代集合内部数据。

这里的关键在于，集合类通过调用iterator()方法，返回一个Iterator对象，这个对象必须自己知道如何遍历该集合。

一个简单的Iterator示例如下，它总是以倒序遍历集合：

import java.util.*;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        ReverseList<String> rlist = new ReverseList<>();
        rlist.add("Apple");
        rlist.add("Orange");
        rlist.add("Pear");
        for (String s : rlist) {
            System.out.println(s);
        }
    }
}

class ReverseList<T> implements Iterable<T> {

    private List<T> list = new ArrayList<>();

    public void add(T t) {
        list.add(t);
    }

    @Override
    public Iterator<T> iterator() {
        return new ReverseIterator(list.size());
    }

    class ReverseIterator implements Iterator<T> {
        int index;

        ReverseIterator(int index) {
            this.index = index;
        }

        @Override
        public boolean hasNext() {
            return index > 0;
        }

        @Override
        public T next() {
            index--;
            return ReverseList.this.list.get(index);
        }
    }
}

虽然ReverseList和ReverseIterator的实现类稍微比较复杂，但是，注意到这是底层集合库，只需编写一次。而调用方则完全按for each循环编写代码，根本不需要知道集合内部的存储逻辑和遍历逻辑。

在编写Iterator的时候，我们通常可以用一个内部类来实现Iterator接口，这个内部类可以直接访问对应的外部类的所有字段和方法。例如，上述代码中，内部类ReverseIterator可以用ReverseList.this获得当前外部类的this引用，然后，通过这个this引用就可以访问ReverseList的所有字段和方法。

小结

Iterator是一种抽象的数据访问模型。使用Iterator模式进行迭代的好处有：

• 对任何集合都采用同一种访问模型；
• 调用者对集合内部结构一无所知；
• 集合类返回的Iterator对象知道如何迭代。

Java提供了标准的迭代器模型，即集合类实现java.util.Iterable接口，返回java.util.Iterator实例。

工具类Collections

Collections是JDK提供的工具类，同样位于java.util包中。它提供了一系列静态方法，能更方便地操作各种集合。

注意Collections结尾多了一个s，不是Collection！

我们一般看方法名和参数就可以确认Collections提供的该方法的功能。例如，对于以下静态方法：

public static boolean addAll(Collection<? super T> c, T... elements) { ... }

addAll()方法可以给一个Collection类型的集合添加若干元素。因为方法签名是Collection，所以我们可以传入List，Set等各种集合类型。

创建空集合

Collections提供了一系列方法来创建空集合：

• 创建空List：List emptyList()
• 创建空Map：Map emptyMap()
• 创建空Set：Set emptySet()

要注意到返回的空集合是不可变集合，无法向其中添加或删除元素。

此外，也可以用各个集合接口提供的of(T...)方法创建空集合。例如，以下创建空List的两个方法是等价的：

List<String> list1 = List.of();
List<String> list2 = Collections.emptyList();

创建单元素集合

Collections提供了一系列方法来创建一个单元素集合：

• 创建一个元素的List：List singletonList(T o)
• 创建一个元素的Map：Map singletonMap(K key, V value)
• 创建一个元素的Set：Set singleton(T o)

要注意到返回的单元素集合也是不可变集合，无法向其中添加或删除元素。

此外，也可以用各个集合接口提供的of(T...)方法创建单元素集合。例如，以下创建单元素List的两个方法是等价的：

List<String> list1 = List.of("apple");
List<String> list2 = Collections.singletonList("apple");

实际上，使用List.of(T...)更方便，因为它既可以创建空集合，也可以创建单元素集合，还可以创建任意个元素的集合：

List<String> list1 = List.of(); // empty list
List<String> list2 = List.of("apple"); // 1 element
List<String> list3 = List.of("apple", "pear"); // 2 elements
List<String> list4 = List.of("apple", "pear", "orange"); // 3 elements

排序

Collections可以对List进行排序。因为排序会直接修改List元素的位置，因此必须传入可变List：

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        List<String> list = new ArrayList<>();
        list.add("apple");
        list.add("pear");
        list.add("orange");
        // 排序前:
        System.out.println(list);
        Collections.sort(list);
        // 排序后:
        System.out.println(list);
    }
}

洗牌

Collections提供了洗牌算法，即传入一个有序的List，可以随机打乱List内部元素的顺序，效果相当于让计算机洗牌：

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        List<Integer> list = new ArrayList<>();
        for (int i=0; i<10; i++) {
            list.add(i);
        }
        // 洗牌前:
        System.out.println(list);
        Collections.shuffle(list);
        // 洗牌后:
        System.out.println(list);
    }
}

不可变集合

Collections还提供了一组方法把可变集合封装成不可变集合：

• 封装成不可变List：List unmodifiableList(List list)
• 封装成不可变Set：Set unmodifiableSet(Set set)
• 封装成不可变Map：Map unmodifiableMap(Map m)

这种封装实际上是通过创建一个代理对象，拦截掉所有修改方法实现的。我们来看看效果：

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        List<String> mutable = new ArrayList<>();
        mutable.add("apple");
        mutable.add("pear");
        // 变为不可变集合:
        List<String> immutable = Collections.unmodifiableList(mutable);
        immutable.add("orange"); // UnsupportedOperationException!
    }
}

然而，继续对原始的可变List进行增删是可以的，并且，会直接影响到封装后的“不可变”List：

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        List<String> mutable = new ArrayList<>();
        mutable.add("apple");
        mutable.add("pear");
        // 变为不可变集合:
        List<String> immutable = Collections.unmodifiableList(mutable);
        mutable.add("orange");
        System.out.println(immutable);
    }
}

输出为

[apple, pear, orange]

因此，如果我们希望把一个可变List封装成不可变List，那么，返回不可变List后，最好立刻扔掉可变List的引用，这样可以保证后续操作不会意外改变原始对象，从而造成“不可变”List变化了：

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        List<String> mutable = new ArrayList<>();
        mutable.add("apple");
        mutable.add("pear");
        // 变为不可变集合:
        List<String> immutable = Collections.unmodifiableList(mutable);
        // 立刻扔掉mutable的引用:
        mutable = null;
        System.out.println(immutable);
    }
}

线程安全集合

Collections还提供了一组方法，可以把线程不安全的集合变为线程安全的集合：

• 变为线程安全的List：List synchronizedList(List list)
• 变为线程安全的Set：Set synchronizedSet(Set s)
• 变为线程安全的Map：Map synchronizedMap(Map m)

多线程的概念我们会在后面讲。因为从Java 5开始，引入了更高效的并发集合类，所以上述这几个同步方法已经没有什么用了。

小结

Collections类提供了一组工具方法来方便使用集合类：

• 创建空集合；
• 创建单元素集合；
• 创建不可变集合；
• 排序／洗牌等操作。

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