详解Java集合框架

简介

Java最初版本只实现了一些常用的数据结构，并提供了这些类或接口Vector,Stack,Hashtable,BitSet,Enumeration接口来实现这些结构。

其中Enumeration接口提供了让我们能枚举任意容器元素的抽象机制。

特点

将集合的接口与实现分离

这一点我们可以从常见的队列Queue的设计上看出来，队列的原则是尾部添加元素，在队列的头部删除元素，可以看到Java的实现是首先定义了一个接口，里面定义了一些Queue的常用操作方法，

public interface Queue extends Collection {
    ...
    boolean add(E e);
    boolean offer(E e);
    E remove();
    ...
}

然后在根据不同的数据结构实现队列，通常情况下队列使用两种数据结构实现，循环数组和链表，如下图：

这样在编程的时候只需要更换实现类就可以轻松的切换所使用的数据结构了。

Collection

可以看到上面的Queue都继承Collection，其实集合类的都是继承了他，他提供了几个最基本的方法：

public interface Collection extends Iterable {
    boolean add(E e);
    Iterator iterator();
}

当然还有其他方法。

add：添加一个元素

iterator：返回一个实现了Iterator接口的对象。使用它可以很方便的访问集合中的元素。

Iterator

Iterator接口包含的方法：

public interface Iterator {    
    boolean hasNext();
 
    E next();

    default void remove() {
        throw new UnsupportedOperationException("remove");
    }

    default void forEachRemaining(Consumer action) {
        Objects.requireNonNull(action);
        while (hasNext())
            action.accept(next());
    }
}

遍历元素的方式通过反复调用next方法即可访问每个元素，但是如果达到了集合末尾，将抛出NoSuchElementException，所以在调用next方法前要先调用hasNext方法检测。

ArrayList strings = new ArrayList<>();
strings.add("a");
strings.add("b");
strings.add("c");
strings.add("d");
strings.add("e");

Iterator iterator = strings.iterator();
while (iterator.hasNext()) {
    System.out.println(iterator.next());
}

当然也可以通过foreach循环遍历：

for (String s :
       strings ) {
    System.out.println(s);
}

编译器会把for each语法结构转为上面的迭代器的结构。这种方式可以遍历所有实现了Iterable接口的结构。

Iterable

Iterable只包含一个iterator抽象方法

public interface Iterable {
    
    Iterator iterator();
    ...
}

目的是让用户实现自定义的数据结构返回一个实现了Iterator接口的对象，我们看到ArrayList的实现如下：

public Iterator iterator() {
    return new Itr();
}

其中Itr是一个内部类，定义在ArrayList中，并实现了Iterator接口。

private class Itr implements Iterator {
    int cursor;       // index of next element to return
    int lastRet = -1; // index of last element returned; -1 if no such
    int expectedModCount = modCount;

    public boolean hasNext() {
        return cursor != size;
    }

    @SuppressWarnings("unchecked")
    public E next() {
        checkForComodification();
        int i = cursor;
        if (i >= size)
            throw new NoSuchElementException();
        Object[] elementData = ArrayList.this.elementData;
        if (i >= elementData.length)
            throw new ConcurrentModificationException();
        cursor = i + 1;
        return (E) elementData[lastRet = i];
    }

    public void remove() {
        if (lastRet < 0)
            throw new IllegalStateException();
        checkForComodification();

        try {
            ArrayList.this.remove(lastRet);
            cursor = lastRet;
            lastRet = -1;
            expectedModCount = modCount;
        } catch (IndexOutOfBoundsException ex) {
            throw new ConcurrentModificationException();
        }
    }

    @Override
    @SuppressWarnings("unchecked")
    public void forEachRemaining(Consumer consumer) {
        Objects.requireNonNull(consumer);
        final int size = ArrayList.this.size;
        int i = cursor;
        if (i >= size) {
            return;
        }
        final Object[] elementData = ArrayList.this.elementData;
        if (i >= elementData.length) {
            throw new ConcurrentModificationException();
        }
        while (i != size && modCount == expectedModCount) {
            consumer.accept((E) elementData[i++]);
        }
        // update once at end of iteration to reduce heap write traffic
        cursor = i;
        lastRet = i - 1;
        checkForComodification();
    }

    final void checkForComodification() {
        if (modCount != expectedModCount)
            throw new ConcurrentModificationException();
    }
}

最重要的是Java SE8中不写循环而直接使用forEachRemaining方法就可以使用Lambda表达式处理每个元素：

strings.iterator().forEachRemaining(e-> System.out.println(e));

同时也可是使用Iterable接口中的forEach方法来遍历：

strings.forEach(e-> System.out.println(e));