【JAVA 集合框架介绍】

一、基础版本简介

其实在Java2之前，Java是没有完整的集合框架的。它只有一些简单的可以自扩展的容器类，比如Vector，Stack，Hashtable等。Vector中包含的元素可以通过一个整型的索引值取得，它的大小可以在添加或移除元素时自动增加或缩小。然而，Vector的设计却存在极多缺陷（下面会说到）。Stack是一种后进先出（LIFO）的堆栈序列，学过数据结构的都会知道，它的重要特点是先放入的东西最后才能被取出。Hashtable与Java2中的Map类似，可以看成一种关联或映射数组，可以将两个或多个毫无关系的对象相关联，与数组不同的是它的大小可以动态变化。

Vector

Vector的操作很简单，通过addElement()加入一个对象，用elementAt()取出它，还可以查询当前所保存的对象的个数size();另外还有一个Enumeration类提供了连续操作Vector中元素的方法，这可以通过Vector中的elements()方法来获取一个Enumeration类的对象，可以用一个While循环来遍历其中的元素。用hasMoreElements()检查其中是否还有更多的元素。用nextElement()获得下一个元素。Enumeration的用意在于使你能完全不用理会你要遍历的容器的基础结构，只关注你的遍历方法，这也就使得遍历方法的重用成为可能。由于这种思想的强大功能，所以在Java2中被保留下来，不过具体实现，方法名和内部算法都改变了，这就是Java2中的Iterator以及ListIterator类。然而Enumeration的功能却十分有限，比如只能朝一个方向进行，只能读取而不能更改等。

Stack

单元素容器Stack，它最常用的操作便是压入和弹出，最后压入的元素最先被弹出。你可以想象一个只上面开口的书箱，最后放进去的书一定是最先被拿到，而最先放进去的只有在全部书拿出后才能取出，这种特性被称为后进先出（LIFO）。在Java中Stack的的用法也很简单，有push()压入一个元素，用pop()弹出一个元素。然而它的设计却无法让人理解，Stack继承了Vector而不用Vector作为其中一个元素类型来实现其功能，这样造成的结果是Stack也拥有Vector的行为，也就是说你可以把Stack当作一个Vector来用，而这与Stack的用意毫无关系。这应该算为Java1（1.0/1.1)中容器类库设计者的一大失误吧，还好，这些在Java2中都有了相当大的改变观。

Hashtable

Hashtable也是Java1中一个有用的容器类库。它的基本目标是实现两个或多个对象之间进行关联。举一个现实生活中的例子，比如我们说美国白宫时，指的就是在美国华盛顿的总统办公大楼，为什么一说到美国白宫，指的就是总统办公大楼呢？这是我们人为的对“美国白宫”和总统办公大楼进行了关联，本来“美国白宫”就是四个普通的文字，却有了不同的含义。在Java中我们就可以用String定义一个内容为“美国白宫”的对象变量，在定义一个总统大楼的对象变量，把它们进行关联，这就是Hashtable的用意。通过使用pub(Object key,Object value)方法把两个对象进行关联，需要时用get(Object key)取得与key关联的值对象。还可以查询某个对象的索引值等等。值得说明的这里的get方法查找一个对象时与Vector中的get方法在内部实现时有很大不同，在一个Hashtable中查找一个键对象要比在一个Vector中快的多。这是因为Hashtable使用了一种哈希表的技术（在数据结构中有详细讲解），在Java每个对象缺省都有一个通过Object的hashCode()方法获得的哈希码，Hashtable就是利用这个哈希实现快速查找键对象的。

Java1容器类库设计的另一个重大失误是竟然没有对容器进行排序的工具。比如你想让Vector容器中的对象按字典顺序进行排序，你就要自己实现。

虽然Java1中的容器类库如此简陋，却也使Java程序员在当时编程时省力不少，那些容器类也被大量用到，正所谓无可奈何，没得选择。可能是Java在其成长过程一直被美丽的光环笼照着，所以它的缺点也被人们忽略了，幸好，在Java2中容器类库设计者对以前的拙劣设计进行了大刀阔斧的整改，从而使Java变得更加完美。

 

 

二、后续版本

自Java1.2之后Java版本统称为Java2，Java2中的容器类库才可以说是一种真正意义上的集合框架的实现。基本完全重新设计，但是又对Java1中的一些容器类库在新的设计上进行了保留，这主要是为了向下兼容的目的，当用Java2开发程序时，应尽量避免使用它们，Java2的集合框架已经完全可以满足你的需求。有一点需要提醒的是，在Java1中容器类库是同步化的，而Java2中的容器类库都是非同步化，这可能是对执行效率进行考虑的结果。

Java2中的集合框架提供了一套设计优良的接口和类，使程序员操作成批的数据或对象元素极为方便。这些接口和类有很多对抽象数据类型操作的API，而这是我们常用的且在数据结构中熟知的。例如Maps，Sets，Lists，Arrays等。并且Java用面向对象的设计对这些数据结构和算法进行了封装，这就极大的减化了程序员编程时的负担。程序员也可以以这个集合框架为基础，定义更高级别的数据抽象，比如栈、队列和线程安全的集合等，从而满足自己的需要。

Java2的集合框架，抽其核心，主要有三类：List、Set和Map。List和Set继承了Collection，而Map则独成一体。初看上去可能会对Map独成一体感到不解，它为什么不也继承Collection呢？但是仔细想想，这种设计是合理的。一个Map提供了通过Key对Map中存储的Value进行访问，也就是说它操作的都是成对的对象元素，比如put()和get()方法，而这是一个Set或List所不就具备的。当然在需要时，你可以由keySet()方法或values()方法从一个Map中得到键的Set集或值的Collection集。

Collection

Collection接口提供了一组操作成批对象的方法

它提供了基本操作如添加、删除。它也支持查询操作如是否为空isEmpty()方法等。为了支持对Collection进行独立操作，Java的集合框架给出了一个Iterator，它使得你可以泛型操作一个Collection，而不需知道这个Collection的具体实现类型是什么。它的功能与Java1中的Enumeration类似，只是更易掌握和使用，功能也更强大。在建立集合框架时，Sun的开发团队考虑到需要提供一些灵活的接口，用来操作成批的元素，又为了设计的简便，就把那些对集合进行可选操作的方法与基本方法放到了一起。因为一个接口的实现者必须提供对接口中定义的所有方法的实现，这就需要一种途径让调用者知道它正在调用的可选方法当前不支持。最后开发团队选择使用一种信号，也即抛出一种不支持操作例外(UnsupportedOperationException)，如果你在使用一个Collection中遇到一个上述的例外，那就意味着你的操作失败，比如你对一个只读Collection添加一个元素时，你就会得到一个不支持操作例外。在你实现一个集合接口时，你可以很容易的在你不想让用户使用的方法中抛出UnsupportOperationException来告诉使用者这个方法当前没有实现，UnsupportOperationException是RuntimeException的一个扩展。

另外Java2的容器类库还有一种Fail fast的机制。比如你正在用一个Iterator遍历一个容器中的对象，这时另外一个线程或进程对那个容器进行了修改，那么再用next()方法时可能会有灾难性的后果，而这是你不愿看到的，这时就会引发一个ConcurrentModificationException例外。这就是fail－fast。Collection的功能

下面这张表给出了Collection的所有功能，也就是你能用Set和List做什么事（不包括从Object自动继承过来的方法）。（List还有一些额外的功能。）Map不是继承Collection的，所以我们会区别对待。

boolean add(Object)：确保容器能持有你传给它的那个参数。如果没有把它加进去，就返回false。（这是个“可选”的方法，本章稍后会再作解释。）

boolean addAll(Collection)：加入参数Collection所含的所有元素。只要加了元素，就返回true。

void clear()：清除容器所保存的所有元素。（“可选”）

boolean contains(Object)：如果容器持有参数Object，就返回true。

boolean containsAll(Collection)：如果容器持有参数Collection所含的全部元素，就返回true。 boolean isEmpty()：如果容器里面没有保存任何元素，就返回true。

Iterator iterator()：返回一个可以在容器的各元素之间移动的Iterator。

boolean removeAll(Collection)：删除容器里面所有参数Collection所包含的元素。只要删过东西，就返回true。（“可选”）

boolean retainAll(Collection)：只保存参数Collection所包括的元素（集合论中“交集”的概念）。如果发生过变化，则返回true。（“可选”）

int size()：返回容器所含元素的数量。

Object[] toArray()：返回一个包含容器中所有元素的数组。

Object[] toArray(Object[] a)：返回一个包含容器中所有元素的数组，且这个数组不是普通的Object数组，它的类型应该同参数数组a的类型相同（要做类型转换）。

注意，这里没有能进行随机访问的get()方法。这是因为Collection还包括Set。而Set有它自己的内部顺序（因此随机访问是毫无意义的）。所以如果你要检查Collection的元素，你就必须使用迭代器。

接下来讲List, Set和Map的各种实现了，每讲一种容器，我都会（用星号）告诉你默认情况下应该选用哪种实现。

List

List接口对Collection进行了简单的扩充

它的具体实现类常用的有ArrayList和LinkedList。你可以将任何东西放到一个List容器中，并在需要时从中取出。ArrayList从其命名中可以看出它是一种类似数组的形式进行存储，因此它的随机访问速度极快，而LinkedList的内部实现是链表，它适合于在链表中间需要频繁进行插入和删除操作。在具体应用时可以根据需要自由选择。前面说的Iterator只能对容器进行向前遍历，而ListIterator则继承了Iterator的思想，并提供了对List进行双向遍历的方法。List的功能

List的基本用法是相当简单的。虽然绝大多数时候，你只是用add()加对象，用get()取对象，用iterator()获取这个序列的Iterator，但List还有一些别的很有用的方法。

实际上有两种List：擅长对元素进行随机访问的，较常用的ArrayList，和更强大的LinkedList。LinkedList不是为快速的随机访问而设计的，但是它却有一组更加通用的方法。

List（接口）：List的最重要的特征就是有序；它会确保以一定的顺序保存元素。List在Collection的基础上添加了大量方法，使之能在序列中间插入和删除元素。（只对LinkedList推荐使用。）List可以制造ListIterator对象，你除了能用它在List的中间插入和删除元素之外，还能用它沿两个方向遍历List。

ArrayList*：一个用数组实现的List。能进行快速的随机访问，但是往列表中间插入和删除元素的时候比较慢。ListIterator只能用在反向遍历ArrayList的场合，不要用它来插入和删除元素，因为相比LinkedList，在ArrayList里面用ListIterator的系统开销比较高。

LinkedList：对顺序访问进行了优化。在List中间插入和删除元素的代价也不高。随机访问的速度相对较慢。（用ArrayList吧。）此外它还有addFirst()，addLast()，getFirst()，getLast()，removeFirst()和removeLast()等方法（这些方法，接口和基类均未定义），你能把它当成栈（stack），队列（queue）或双向队列（deque）来用。

记住，容器只是一个存储对象的盒子。如果这个小盒子能帮你解决所有的问题，那你就用不着去管它是怎么实现的（在绝大多数情况下，这是使用对象的基本概念）。如果开发环境里面还有一些别的，会造成固定的性能开销的因素存在，那么ArrayList和LinkedList之间的性能差别就会变得不那么重要了。你只需要它们中的一个，你甚至可以想象有这样一种“完美”的抽象容器；它能根据用途，自动地切换其底层的实现。

LinkedList的用途

用LinkedList做一个栈

“栈（stack）”有时也被称为“后进先出”（LIFO）的容器。就是说，最后一个被“压”进栈中的东西，会第一个“弹”出来。同其他Java容器一样，压进去和弹出来的东西都是Object，所以除非你只用Object的功能，否则就必须对弹起来的东西进行类型转换。

LinkedList的方法能直接实现栈的功能，所以你完全可以不写Stack而直接使用LinkedList。

如果你只想要栈的功能，那么继承就不太合适了，因为继承出来的是一个拥有LinkedList的所有方法的类。

用LinkedList做一个队列

队列（queue）是一个“先进先出”（FIFO）容器。也就是，你把一端把东西放进去，从另一端把东西取出来。所以你放东西的顺序也就是取东西的顺序。LinkedList有支持队列的功能的方法，所以它也能被当作Queue来用。

还能很轻易地用LinkedList做一个deque（双向队列）。它很像队列，只是你可以从任意一端添加和删除元素。

Set

Set接口也是Collection的一种扩展

与List不同的是，在Set中的对象元素不能重复，也就是说你不能把同样的东西两次放入同一个Set容器中。它的常用具体实现有HashSet和TreeSet类。HashSet能快速定位一个元素，但是你放到HashSet中的对象需要实现hashCode()方法，它使用了前面说过的哈希码的算法。而TreeSet则将放入其中的元素按序存放，这就要求你放入其中的对象是可排序的，这就用到了集合框架提供的另外两个实用类Comparable和Comparator。一个类是可排序的，它就应该实现Comparable接口。有时多个类具有相同的排序算法，那就不需要在每分别重复定义相同的排序算法，只要实现Comparator接口即可。集合框架中还有两个很实用的公用类：Collections和Arrays。Collections提供了对一个Collection容器进行诸如排序、复制、查找和填充等一些非常有用的方法，Arrays则是对一个数组进行类似的操作。Set的功能

Set的接口就是Collection的，所以不像那两个List，它没有额外的功能。实际上Set确确实实就是一个Collection－－只不过行为方式不同罢了。（这是继承和多态性的完美运用：表达不同地行为。）Set会拒绝持有多个具有相同值的对象的实例（对象的“值”又是由什么决定的呢？这个问题比较复杂，我们以后会讲）。

Set（接口）：加入Set的每个元素必须是唯一的；否则，Set是不会把它加进去的。要想加进Set，Object必须定义equals()，这样才能标明对象的唯一性。Set的接口和Collection的一摸一样。Set的接口不保证它会用哪种顺序来存储元素。

HashSet*：为优化查询速度而设计的Set。要放进HashSet里面的Object还得定义hashCode()。

TreeSet：是一个有序的Set，其底层是一颗树。这样你就能从Set里面提取一个有序序列了。

LinkedHashSet(JDK 1.4)：一个在内部使用链表的Set，既有HashSet的查询速度，又能保存元素被加进去的顺序（插入顺序）。用Iterator遍历Set的时候，它是按插入顺序进行访问的。

HashSet保存对象的顺序是和TreeSet和LinkedHashSet不一样的。这是因为它们是用不同的方法来存储和查找元素的。（TreeSet用了一种叫红黑树的数据结构【red-black tree data structure】来为元素排序，而HashSet则用了“专为快速查找而设计”的散列函数。LinkedHashSet在内部用散列来提高查询速度，但是它看上去像是用链表来保存元素的插入顺序的。）你写自己的类的时候，一定要记住，Set要有一个判断以什么顺序来存储元素的标准，也就是说你必须实现Comparable接口，并且定义compareTo()方法。

SortedSet

SortedSet（只有TreeSet这一个实现可用）中的元素一定是有序的。这使得SortedSet接口多了一些方法：

Comparator comparator()：返回Set所使用的Comparator对象，或者用null表示它使用Object自有的排序方法。

Object first()：返回最小的元素。

Object last()：返回最大的元素。

SortedSet subSet(fromElement, toElement)：返回Set的子集，其中的元素从fromElement开始到toElement为止（包括fromElement，不包括toElement）。

SortedSet headSet(toElement)：返回Set的子集，其中的元素都应小于toElement。

SortedSet headSet(toElement)：返回Set的子集，其中的元素都应大于fromElement。

注意，SortedSet意思是“根据对象的比较顺序”，而不是“插入顺序”进行排序.

Map

Map是一种把键对象和值对象进行关联的容器

一个值对象又可以是一个Map，依次类推，这样就可形成一个多级映射。对于键对象来说，像Set一样，一个Map容器中的键对象不允许重复，这是为了保持查找结果的一致性;如果有两个键对象一样，那你想得到那个键对象所对应的值对象时就有问题了，可能你得到的并不是你想的那个值对象，结果会造成混乱，所以键的唯一性很重要，也是符合集合的性质的。当然在使用过程中，某个键所对应的值对象可能会发生变化，这时会按照最后一次修改的值对象与键对应。对于值对象则没有唯一性的要求。你可以将任意多个键都映射到一个值对象上，这不会发生任何问题（不过对你的使用却可能会造成不便，你不知道你得到的到底是那一个键所对应的值对象）。Map有两种比较常用的实现：HashMap和TreeMap。HashMap也用到了哈希码的算法，以便快速查找一个键，TreeMap则是对键按序存放，因此它便有一些扩展的方法，比如firstKey(),lastKey()等，你还可以从TreeMap中指定一个范围以取得其子Map。键和值的关联很简单，用put(Object key,Object value)方法即可将一个键与一个值对象相关联。用get(Object key)可得到与此key对象所对应的值对象。

Map的功能

ArrayList能让你用数字在一个对象序列里面进行选择，所以从某种意义上讲，它是将数字和对象关联起来。但是，如果你想根据其他条件在一个对象序列里面进行选择的话，那又该怎么做呢？栈就是一个例子。它的标准是“选取最后一个被压入栈的对象”。我们常用的术语map，dictionary，或associative array就是一种非常强大的，能在序列里面进行挑选的工具。从概念上讲，它看上去像是一个ArrayList，但它不用数字，而是用另一个对象来查找对象！这是一种至关重要的编程技巧。

这一概念在Java中表现为Map。put(Object key, Object value)方法会往Map里面加一个值，并且把这个值同键（你查找时所用的对象）联系起来。给出键之后，get(Object key)就会返回与之相关的值。你也可以用containsKey()和containsValue()测试Map是否包含有某个键或值。

Java标准类库里有好几种Map：HashMap，TreeMap，LinkedHashMap，WeakHashMap，以及IdentityHashMap。它们都实现了Map的基本接口，但是在行为方式方面有着明显的诧异。这些差异体现在，效率，持有和表示对象pair的顺序，持有对象的时间长短，以及如何决定键的相等性。

性能是Map所要面对的一个大问题。如果你知道get()时怎么工作的，你就会发觉（比方说）在ArrayList里面找对象会是相当慢的。而这正是HashMap的强项。它不是慢慢地一个个地找这个键，而是用了一种被称为hash code的特殊值来进行查找的。散列（hash）时一种算法，它会从目标对象当中提取一些信息，然后生成一个表示这个对象的“相对独特”的int。hashCode()是Object根类的方法，因此所有Java对象都能生成hash code。HashMap则利用对象的hashCode()来进行快速的查找。这样性能就有了急剧的提高。

Map（接口）：维持键－－值的关系（既pairs），这样就能用键来找值了。

HashMap*：基于hash表的实现。（用它来代替Hashtable。）提供时间恒定的插入与查询。在构造函数种可以设置hash表的capacity和load factor。可以通过构造函数来调节其性能。

LinkedHashMap(JDK 1.4)：很像HashMap，但是用Iterator进行遍历的时候，它会按插入顺序或最先使用的顺序（least-recently-used(LRU)order）进行访问。除了用Iterator外，其他情况下，只是比HashMap稍慢一点。用Iterator的情况下，由于是使用链表来保存内部顺序，因此速度会更快。

TreeMap：基于红黑树数据结构的实现。当你查看键或pair时，会发现它们时按顺序（根据Comparable或Comparator，我们过一会讲）排列的。TreeMap的特点时，你所得到的是一个有序的Map。TreeMap是Map中唯一有subMap()方法的实现。这个方法能让你获取这个树中的一部分。

WeakHashMap：一个weak key的Map，是为某些特殊问题而设计的。它能让Map释放其所持有的对象。如果某个对象除了在Map当中充当键之外，在其他地方都没有其reference的话，那它将被当作垃圾回收。

IdentityHashMap(JDK 1.4)：一个用==，而不是equals()来比较键的hashmap。不是为我们平常使用而设计的，是用来解决特殊问题的。

散列是往Map里存数据的常用算法。

SortedMap

SortedMap（只有TreeMap这一个实现）的键肯定是有序的，因此这个接口里面就有一些附加功能的方法了。

Comparator comparator()：返回Map所使用的comparator，如果是用Object内置的方法的话，则返回null。

Object firstKey()：返回第一个键。

Object lastKey()：返回最后一个键。

SortedMap subMap(fromKey, toKey)：返回这个Map的一个子集，其键从fromKey开始到toKey为止，包括前者，不包括后者。

SortedMap headMap(toKey)：返回这个Map的一个子集，其键均小于toKey。

SortedMap tailMap(fromKey)：返回这个Map的一个子集，其键均大于等于fromKey。

pair是按key的顺序存储的，由于TreeMap有顺序的概念，因此“位置”是有意义的，所以你可以去获取它的第一个和最后一个元素，以及它的子集。

LinkedHashMap

为了提高速度，LinkedHashMap对所有东西都做了hash，而且遍历的时候（println()会遍历整个Map，所以你能看到这个过程）还会按插入顺序返回pair。此外，你还可以在LinkedHashMap的构造函数里面进行配置，让它使用基于访问的LRU（least-recently-used）算法，这样还没被访问过的元素（同时也是要删除的候选对象）就会出现在队列的最前头。这样，为节省资源而写一个定时清理的程序就变得很简单了。

 

 

总结

1.数组把对象和数字形式的下标联系起来。它持有的是类型确定的对象，这样提取对象的时候就不用再作类型传递了。它可以是多维的，也可以持有primitive。但是创建之后它的容量不能改了。

2.Collection持有单个元素，而Map持有相关联的pair。

3.和数组一样，List也把数字下标同对象联系起来，你可以把数组和List想成有序的容器。List会随元素的增加自动调整容量。但是List只能持有Objectreference，所以不能存放primitive，而且把Object提取出来之后，还要做类型传递。

4.如果要做很多随机访问，那么请用ArrayList，但是如果要再List的中间做很多插入和删除的话，就应该用LinkedList了。

5.LinkedList能提供队列，双向队列和栈的功能。

6.Map提供的不是对象与数组的关联，而是对象和对象的关联。

HashMap看重的是访问速度，而TreeMap看重键的顺序，因而它不如HashMap那么快。而LinkedHashMap则保持对象插入的顺序，但是也可以用LRU算法为它重新排序。

7.Set只接受不重复的对象。HashSet提供了最快的查询速度。而TreeSet则保持元素有序。LinkedHashSet保持元素的插入顺序。

8.没必要再在新代码里使用旧类库留下来的Vector，Hashtable和Stack了。

容器类库是你每天都会用到的工具，它能使程序更简洁，更强大并且更高效。