java集合基础

转码的小石2024-12-17 21:36

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。

List

ArrayList在内部使用了数组来存储所有元素。例如，一个ArrayList拥有5个元素，实际数组大小为6（即有一个空位）：

size=5
┌───┬───┬───┬───┬───┬───┐
│ A │ B │ C │ D │ E │   │
└───┴───┴───┴───┴───┴───┘

当添加一个元素并指定索引到ArrayList时，ArrayList自动移动需要移动的元素：

size=5
┌───┬───┬───┬───┬───┬───┐
│ A │ B │   │ C │ D │ E │
└───┴───┴───┴───┴───┴───┘

然后，往内部指定索引的数组位置添加一个元素，然后把size加1：

size=6
┌───┬───┬───┬───┬───┬───┐
│ A │ B │ F │ C │ D │ E │
└───┴───┴───┴───┴───┴───┘

继续添加元素，但是数组已满，没有空闲位置的时候，ArrayList先创建一个更大的新数组，然后把旧数组的所有元素复制到新数组，紧接着用新数组取代旧数组：

size=6
┌───┬───┬───┬───┬───┬───┬───┬───┬───┬───┬───┬───┐
│ A │ B │ F │ C │ D │ E │   │   │   │   │   │   │
└───┴───┴───┴───┴───┴───┴───┴───┴───┴───┴───┴───┘

现在，新数组就有了空位，可以继续添加一个元素到数组末尾，同时size加1：

size=7
┌───┬───┬───┬───┬───┬───┬───┬───┬───┬───┬───┬───┐
│ A │ B │ F │ C │ D │ E │ G │   │   │   │   │   │
└───┴───┴───┴───┴───┴───┴───┴───┴───┴───┴───┴───┘

可见，ArrayList把添加和删除的操作封装起来，让我们操作List类似于操作数组，却不用关心内部元素如何移动。

但是，实现List接口并非只能通过数组（即ArrayList的实现方式）来实现，另一种LinkedList通过"链表"也实现了List接口。在LinkedList中，它的内部每个元素都指向下一个元素：

        ┌───┬───┐   ┌───┬───┐   ┌───┬───┐   ┌───┬───┐
HEAD ──▶│ A │ ●─┼──▶│ B │ ●─┼──▶│ C │ ●─┼──▶│ D │   │
        └───┴───┘   └───┴───┘   └───┴───┘   └───┴───┘

我们考察List<E>接口，可以看到几个主要的接口方法：

  • 在末尾添加一个元素：boolean add(E e)
  • 在指定索引添加一个元素：boolean add(int index, E e)
  • 删除指定索引的元素：E remove(int index)
  • 删除某个元素：boolean remove(Object e)
  • 获取指定索引的元素：E get(int index)
  • 获取链表大小（包含元素的个数）：int size()

创建List

List<String> list = new ArrayList<>();

ArrayList类继承自List接口

  • () 是构造函数调用的语法，用于实例化 ArrayList 对象。
  • <> 中的空白部分是 钻石操作符，编译器会根据变量声明的类型自动推断出泛型类型，简化了代码的书写。

所以我们要始终坚持使用迭代器Iterator来访问List。Iterator本身也是一个对象，但它是由List的实例调用iterator()方法的时候创建的。Iterator对象知道如何遍历一个List，并且不同的List类型，返回的Iterator对象实现也是不同的，但总是具有最高的访问效率。

Iterator对象有两个方法：boolean hasNext()判断是否有下一个元素，E next()返回下一个元素。因此，使用Iterator遍历List代码如下：

import java.util.Iterator;
import java.util.List;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        List<String> list = List.of("apple", "pear", "banana");
        for (Iterator<String> it = list.iterator(); it.hasNext(); ) {
            String s = it.next();
            System.out.println(s);
        }
    }
}

import java.util.List;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        List<String> list = List.of("apple", "pear", "banana");
        for (String s : list) {
            System.out.println(s);
        }
    }
}

上述代码就是我们编写遍历List的常见代码。

实际上，只要实现了Iterable接口的集合类都可以直接用for each循环来遍历，Java编译器本身并不知道如何遍历集合对象，但它会自动把for each循环变成Iterator的调用，原因就在于Iterable接口定义了一个Iterator<E> iterator()方法，强迫集合类必须返回一个Iterator实例。

List是接口 Array是一种数据类型

List和Array转换

把List变为Array有三种方法，第一种是调用toArray()方法直接返回一个Object[]数组：

第二种方式是给toArray(T[])传入一个类型相同的Array，List内部自动把元素复制到传入的Array中：

import java.util.List;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        List<Integer> list = List.of(12, 34, 56);
        Integer[] array = list.toArray(new Integer[3]);
        for (Integer n : array) {
            System.out.println(n);
        }
    }
}

注意到这个toArray(T[])方法的泛型参数<T>并不是List接口定义的泛型参数<E>，所以，我们实际上可以传入其他类型的数组，例如我们传入Number类型的数组，返回的仍然是Number类型：

如果传入的数组不够大，那么List内部会创建一个新的刚好够大的数组，填充后返回；如果传入的数组比List元素还要多，那么填充完元素后，剩下的数组元素一律填充null。

实际上，最常用的是传入一个"恰好"大小的数组：

Integer[] array = list.toArray(new Integer[list.size()]);

最后一种更简洁的写法是通过List接口定义的T[] toArray(IntFunction<T[]> generator)方法：

Integer[] array = list.toArray(Integer[]::new);

这种函数式写法我们会在后续讲到。

Arrat变成List

通过List.of(T...)方法最简单：

Integer[] array = { 1, 2, 3 };
List<Integer> list = List.of(array);

List是按索引顺序访问的长度可变的有序表，优先使用ArrayList而不是LinkedList；

可以直接使用for each遍历List；

List可以和Array相互转换。

在List中查找元素时，List的实现类通过元素的equals()方法比较两个元素是否相等，因此，放入的元素必须正确覆写equals()方法，Java标准库提供的String、Integer等已经覆写了equals()方法；

编写equals()方法可借助Objects.equals()判断。

如果不在List中查找元素，就不必覆写equals()方法。

Map<K, V>是一种键-值映射表，当我们调用put(K key, V value)方法时，就把key和value做了映射并放入Map。当我们调用V get(K key)时，就可以通过key获取到对应的value。如果key不存在，则返回null。和List类似，Map也是一个接口，最常用的实现类是HashMap。

重复放入key-value并不会有任何问题，但是一个key只能关联一个value。在上面的代码中，一开始我们把key对象"apple"映射到Integer对象123，然后再次调用put()方法把"apple"映射到789，这时，原来关联的value对象123就被"冲掉"了。实际上，put()方法的签名是V put(K key, V value)，如果放入的key已经存在，put()方法会返回被删除的旧的value， 否则，返回null。

遍历Map

对Map来说，要遍历key可以使用for each循环遍历Map实例的keySet()方法返回的Set集合，它包含不重复的key的集合：

import java.util.HashMap;
import java.util.Map;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Map<String, Integer> map = new HashMap<>();
        map.put("apple", 123);
        map.put("pear", 456);
        map.put("banana", 789);
        for (String key : map.keySet()) {
            Integer value = map.get(key);
            System.out.println(key + " = " + value);
        }
    }
}

同时遍历key和value可以使用for each循环遍历Map对象的entrySet()集合，它包含每一个key-value映射：

import java.util.HashMap;
import java.util.Map;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Map<String, Integer> map = new HashMap<>();
        map.put("apple", 123);
        map.put("pear", 456);
        map.put("banana", 789);
        for (Map.Entry<String, Integer> entry : map.entrySet()) {
            String key = entry.getKey();
            Integer value = entry.getValue();
            System.out.println(key + " = " + value);
        }
    }
}

如果Map的key是enum类型，推荐使用EnumMap，既保证速度，也不浪费空间。

使用EnumMap的时候，根据面向抽象编程的原则，应持有Map接口。

使用TreeMap时，放入的Key必须实现Comparable接口。String、Integer这些类已经实现了Comparable接口，因此可以直接作为Key使用。作为Value的对象则没有任何要求。

如果作为Key的class没有实现Comparable接口，那么，必须在创建TreeMap时同时指定一个自定义排序算法：

import java.util.*;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Map<Person, Integer> map = new TreeMap<>(new Comparator<Person>() {
            public int compare(Person p1, Person p2) {
                return p1.name.compareTo(p2.name);
            }
        });
        map.put(new Person("Tom"), 1);
        map.put(new Person("Bob"), 2);
        map.put(new Person("Lily"), 3);
        for (Person key : map.keySet()) {
            System.out.println(key);
        }
        // {Person: Bob}, {Person: Lily}, {Person: Tom}
        System.out.println(map.get(new Person("Bob"))); // 2
    }
}

class Person {
    public String name;
    Person(String name) {
        this.name = name;
    }
    public String toString() {
        return "{Person: " + name + "}";
    }
}

使用TreeMap时，对Key的比较需要正确实现相等、大于和小于逻辑！

SortedMap在遍历时严格按照Key的顺序遍历，最常用的实现类是TreeMap；

作为SortedMap的Key必须实现Comparable接口，或者传入Comparator；

要严格按照compare()规范实现比较逻辑，否则，TreeMap将不能正常工作

队列（Queue）是一种经常使用的集合。Queue实际上是实现了一个先进先出（FIFO：First In First Out）的有序表。它和List的区别在于，List可以在任意位置添加和删除元素，而Queue只有两个操作：

  • 把元素添加到队列末尾；
  • 从队列头部取出元素。

在Java的标准库中，队列接口Queue定义了以下几个方法：

throw Exception 返回false或null
添加元素到队尾 add(E e) boolean offer(E e)
取队首元素并删除 E remove() E poll()
取队首元素但不删除 E element() E peek()

PriorityQueue和Queue的区别在于，它的出队顺序与元素的优先级有关，对PriorityQueue调用remove()或poll()方法，返回的总是优先级最高的元素。

要使用PriorityQueue，我们就必须给每个元素定义"优先级"。我们以实际代码为例，先看看PriorityQueue的行为：

import java.util.PriorityQueue;
import java.util.Queue;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Queue<String> q = new PriorityQueue<>();
        // 添加3个元素到队列:
        q.offer("apple");
        q.offer("pear");
        q.offer("banana");
        System.out.println(q.poll()); // apple
        System.out.println(q.poll()); // banana
        System.out.println(q.poll()); // pear
        System.out.println(q.poll()); // null,因为队列为空
    }
}

我们放入的顺序是"apple"、"pear"、"banana"，但是取出的顺序却是"apple"、"banana"、"pear"，这是因为从字符串的排序看，"apple"排在最前面，"pear"排在最后面。

因此，放入PriorityQueue的元素，必须实现Comparable接口 ，PriorityQueue会根据元素的排序顺序决定出队的优先级。

如果我们要放入的元素并没有实现Comparable接口怎么办？PriorityQueue允许我们提供一个Comparator对象来判断两个元素的顺序。我们以银行排队业务为例，实现一个PriorityQueue：

import java.util.Comparator;
import java.util.PriorityQueue;
import java.util.Queue;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Queue<User> q = new PriorityQueue<>(new UserComparator());
        // 添加3个元素到队列:
        q.offer(new User("Bob", "A1"));
        q.offer(new User("Alice", "A2"));
        q.offer(new User("Boss", "V1"));
        System.out.println(q.poll()); // Boss/V1
        System.out.println(q.poll()); // Bob/A1
        System.out.println(q.poll()); // Alice/A2
        System.out.println(q.poll()); // null,因为队列为空
    }
}

class UserComparator implements Comparator<User> {
    public int compare(User u1, User u2) {
        if (u1.number.charAt(0) == u2.number.charAt(0)) {
            // 如果两人的号都是A开头或者都是V开头,比较号的大小:
            return u1.number.compareTo(u2.number);
        }
        if (u1.number.charAt(0) == 'V') {
            // u1的号码是V开头,优先级高:
            return -1;
        } else {
            return 1;
        }
    }
}

class User {
    public final String name;
    public final String number;

    public User(String name, String number) {
        this.name = name;
        this.number = number;
    }

    public String toString() {
        return name + "/" + number;
    }
}

实现PriorityQueue的关键在于提供的UserComparator对象，它负责比较两个元素的大小（较小的在前）。UserComparator总是把V开头的号码优先返回，只有在开头相同的时候，才比较号码大

栈（Stack）是一种后进先出（LIFO：Last In First Out）的数据结构。

什么是LIFO呢？我们先回顾一下Queue的特点FIFO：

           ────────────────────────
  (\(\       (\(\    (\(\    (\(\       (\(\
 (='.') ──▶ (='.')  (='.')  (='.') ──▶ (='.')
O(_")")    O(_")") O(_")") O(_")")    O(_")")
           ────────────────────────

所谓FIFO，是最先进队列的元素一定最早出队列，而LIFO是最后进Stack的元素一定最早出Stack。如何做到这一点呢？只需要把队列的一端封死：

            ───────────────────────────────┐
  (\(\        (\(\    (\(\    (\(\    (\(\ │
 (='.') ◀──▶ (='.')  (='.')  (='.')  (='.')│
O(_")")     O(_")") O(_")") O(_")") O(_")")│
            ───────────────────────────────┘

因此，Stack是这样一种数据结构：只能不断地往Stack中压入（push）元素，最后进去的必须最早弹出（pop）来：

Stack只有入栈和出栈的操作：

  • 把元素压栈：push(E)；
  • 把栈顶的元素"弹出"：pop()；
  • 取栈顶元素但不弹出：peek()。

在Java中，我们用Deque可以实现Stack的功能：

  • 把元素压栈：push(E)/addFirst(E)；
  • 把栈顶的元素"弹出"：pop()/removeFirst()；
  • 取栈顶元素但不弹出：peek()/peekFirst()。

为什么Java的集合类没有单独的Stack接口呢？因为有个遗留类名字就叫Stack，出于兼容性考虑，所以没办法创建Stack接口，只能用Deque接口来"模拟"一个Stack了。

当我们把Deque作为Stack使用时，注意只调用push()/pop()/peek()方法，不要调用addFirst()/removeFirst()/peekFirst()方法，这样代码更加清

Stack的作用

Stack在计算机中使用非常广泛，JVM在处理Java方法调用的时候就会通过栈这种数据结构维护方法调用的层次。

  • main 方法调用：

    • JVM 执行到 main 方法时，为 main 方法创建一个栈帧，并将其压入调用栈。
    • main 方法内部调用了 sum 方法。

  • sum 方法调用：

    • 当 sum 方法被调用时，JVM 为 sum 方法创建一个新的栈帧。
    • sum 方法的参数 a 和 b（分别为 10 和 20）会存储在栈帧的局部变量表中。

  • 方法执行：

    • sum 方法执行 a + b 的加法操作，计算结果（30）存放在操作数栈中。

  • sum 方法返回：

    • sum 方法执行完毕后，栈帧被弹出，返回值（30）会传递给 main 方法，main 方法继续执行 System.out.println(result)。

  • main 方法结束：

    • 最后，main 方法执行完毕，它的栈帧也会被弹出，程序结束。

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。

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