Java 集合（一）
一. Java 集合概述
- Java 集合类的作用
- 保存数量不确定的数据
- 保存具有映射关系的数据
- 因为集合类主要负责保存、盛装其他数据，所以也被称为容器类。
- 所有集合类都位于 java.util 包下，Java 5 还在 java.util.concurrent 包下提供了一些多线程支持的集合类，用以处理多线程环境下的并发安全问题。
- 集合类和数组的区别
- 数组元素既可以是基本类型的值，也可以是对象。集合里只能保存对象。这里说的对象实际上是保存对象的引用变量。
- 数组长度不可变化，集合长度可以变化。
- Java 的集合类主要由两个接口派生而出：Collection 和 Map，它们是 Java 集合框架的根接口。
- 下图是 Collection 接口、子接口及其实现类的继承树。
- Set 和 List 接口是 Collection 接口派生的两个子接口，它们分别代表无序集合和有序集合。Queue 是 Java 提供的队列实现，有点类似于 List。
- 下图是 Map 体系的继承树。
- Map 保存的每项数据都是 key-value 对，其中 key 是不可重复的。因为 key 用于标识集合里的每项数据，查阅 Map 中的数据时，总是根据 Map 中的 key 来获取。
- 下图是 Collection 接口、子接口及其实现类的继承树。
- 我们可以将 Java 集合分为三类
- Set 类类似于一个罐子
- Set 集合无法记住添加元素的顺序
- Set 集合里的元素不能重复
- Set 中的元素只能根据元素本身来访问
- List 集合非常像数组
- List 可以记住每次添加元素的顺序
- List 的长度可变。
- List 集合中的元素可以根据元素的索引来访问
- Map 集合也像一个罐子，只是它里面的每项数据都由两个值构成。
- Map 中的的元素可以根据 key 访问 value。
- 三种集合示意图
- Set 类类似于一个罐子
二. Collection 和 Iterator 接口
1. Collection 接口里定义的方法
- boolean add(Object o)：向集合中添加一个元素，如果集合对象被添加操作改变了，则返回 true。
- boolean addAll(Collection c)：将集合 c 中的所有元素添加到指定集合中。如果集合对象被改变，则返回 true。
- void clear()：清除集合中的所有元素，将集合长度变为 0。
- boolean contains(Object o)：返回集合里是否包含指定元素。
- boolean containsAll(Collection c)：返回集合里是否包含集合 c 里的所有元素。
- boolean isEmpty()：返回集合是否为空。集合长度为 0 时返回 true，否则返回 false。
- Iterator iterator()：返回一个 Iterator 对象，用于遍历集合中的所有元素。
- boolean remove(Object o)：删除集合中的指定元素 o，集合中包含多个元素 o 时，该方法只删除第一个符合条件的元素，该方法将返回 true。
- boolean removeAll(Collection c)：从集合中删除集合 c 中包含的所有元素。如果删除了一个或一个以上的元素，则该方法返回 true。
- boolean retainAll(Collection c)：从集合中删除集合 c 里不包含的元素，如果该操作改变了调用该方法的集合，则该方法返回 true。
- int size()：该方法返回集合里元素的个数。
- Object[] toArray()：该方法将集合转换为一个数组，所有的集合元素变成对应的数组元素。
2. 使用 Lambda 表达式遍历集合
- Java 8 为 Iterable 接口新增了一个 forEach(Consumer action) 默认方法，该方法所需参数类型是一个函数式接口。
- Iterable 接口是 Collection 接口的父接口，所以 Collection 集合也可以直接调用该方法。
- 程序调用 Iterable 的 forEach(Consumer action) 遍历集合元素时，程序会依次将集合元素传给 Consumer 的 accept(T t) 方法。正因为 Consumer 是函数式接口，因此可以使用 Lambda 表达式。
示例程序如下：
public class CollectionEach {
public static void main(String[] args) {
Collection books = new HashSet();
books.add("傲慢与偏见");
books.add("呼啸山庄");
books.add("禅与摩托车维修艺术");
boos.forEach(obj -> System.out.println("迭代集合元素：" + obj));
}
}3. 使用 Java 8 增强的 Iterator 遍历集合元素
- Iterator 接口也是 Java 集合框架的成员，但它与 Collection 系列、Map 系列的集合不同
- Collection 系列集合、Map 系列集合主要用于盛装其他对象，Iterator 主要用于遍历 Collection 集合中的元素。
- Iterator 对象也被称为迭代器。
- Iterator 接口方法：
- boolean hasNext()：若被迭代的集合元素还没有遍历完，则返回 true。
- Object next()：返回集合里的下一个元素。
- void remove()：删除集合里上一次 next 方法返回的元素。
- void forEachRemaining(Consumer action)：此方法可使用 Lambda 表达式来遍历集合元素。
- 示例程序：
import java.util.*;
public class IteratorTest {
public static void main(String[] args) {
Collection books = new HashSet();
books.add("傲慢与偏见");
books.add("呼啸山庄");
books.add("禅与摩托车维修艺术");
// 获取 books 集合对应的迭代器。注意：迭代器是通过集合获取的。
Iterator it = books.iterator();
while(it.hasNext()) {
// it.next() 方法返回的是 Object 类型，因此需要强制类型转换
String book = (String) it.next();
System.out.println(book);
if(book.equals("呼啸山庄")) {
// 从集合中删除上一次 next() 方法返回的元素
it.remove();
}
// 对 book 变量赋值，不会改变集合元素本身
book = "测试字符串";
}
System.out.println(books);
}
}
输出：
禅与摩托车维修艺术
傲慢与偏见
呼啸山庄
[禅与摩托车维修艺术, 傲慢与偏见]- 从上面代码可以看出：
- Iterator 仅用于遍历集合，Iterator 本身并不提供盛装对象的能力。
- 如果需要创建 Iterator 对象，则必须有一个被迭代的集合。
- 使用 Iterator 进行迭代时，只是值传递。并不是把集合元素本身传给迭代变量，只是将集合元素的值传给迭代变量，所以修改迭代变量对集合元素本身没有影响。
- 使用 Iterator 迭代访问 Collection 集合元素时，除使用 Iterator 的 remove() 方法删除元素外，Collection 集合里的元素不能被改变，否则会引发 java.util.ConcurrentModificationException 异常。
- Iterator 迭代器采用快速失败（fail-fast）机制，一旦迭代过程中检测到该集合已被修改，立刻引发 ConcurrentModificationException 异常。
4. 使用 Lambda 表达式遍历 Iterator
- Java 8 为 Iterator 新增了一个 forEachRemaining(Consumer action) 方法，该方法所需的 Consumer 参数是函数式接口，程序调用 Iterator 的 forEachRemaining(Consumer action) 方法遍历集合元素时，程序会依次将集合元素传给 Consumer 的 accept(T t) 方法。
- 示例程序：
import java.util.*;
import javax.swing.plaf.synth.SynthSeparatorUI;
public class IteratorTest {
public static void main(String[] args) {
Collection books = new HashSet();
books.add("傲慢与偏见");
books.add("呼啸山庄");
books.add("禅与摩托车维修艺术");
// 获取 books 集合对应的迭代器。注意：迭代器是通过集合获取的。
Iterator it = books.iterator();
it.forEachRemaining(obj -> System.out.println("迭代集合元素：" + obj));
}
}
输出结果：
迭代集合元素：禅与摩托车维修艺术
迭代集合元素：傲慢与偏见
迭代集合元素：呼啸山庄5. 使用 foreach 循环遍历集合元素
- 用 foreach 循环来遍历集合元素会更方便
- 示例程序：
import java.util.*;
public class ForeachTest {
public static void main(String[] args) {
Collection books = new HashSet();
books.add("傲慢与偏见");
books.add("呼啸山庄");
books.add("禅与摩托车维修艺术");
for (Object obj : books) {
String book = (String) obj;
System.out.println(book);
if(book.equals("呼啸山庄")) {
books.remove(book); //①
}
}
System.out.println(books);
}
}
输出结果：
禅与摩托车维修艺术
傲慢与偏见
呼啸山庄
[禅与摩托车维修艺术, 傲慢与偏见]- foreach 循环中的迭代变量也不是集合元素本身，只是值传递。改变迭代变量的值没有意义
- 使用 foreach 循环迭代访问集合元素的过程中，该集合也不能被改变，否则引发 ConcurrentModificationException 异常。上面程序中 ① 处代码将引发该异常。
6. 使用 Java 8 新增的 Predicate 操作集合
Java 8 为 Collection 集合新增了一个 removeIf(Predicate filter) 方法。该方法会批量删除符合 filter 条件的所有元素。
- 此方法需要一个 Predicate（谓词）对象作为参数，Predicate 是函数式接口，其中只有一个 test 抽象方法，可以使用 Lambda 表达式。
- 示例程序：
import java.util.*; public class PredicateTest { public static void main(String[] args) { Collection books = new HashSet(); books.add("傲慢与偏见"); books.add("呼啸山庄"); books.add("禅与摩托车维修艺术"); books.removeIf(ele -> ((String)ele).length() > 5); System.out.println(books); } } 输出结果： [傲慢与偏见, 呼啸山庄]
使用 Predicate 可以充分简化集合的运算，假设有下面三个需求：
- 统计书名中出现“八年级”字符串的图书数量
- 统计书名中出现“英语”字符串的图书数量
- 统计书名长度大于 5 的图书数量
- 示例程序：
import java.util.*; import java.util.function.Predicate; public class PredicateTest2 { public static void main(String[] args) { Collection books = new HashSet(); books.add("傲慢与偏见"); books.add("呼啸山庄"); books.add("禅与摩托车维修艺术"); books.add("八年级语文"); books.add("八年级数学"); books.add("八年级英语"); // 统计书名中出现“八年级”字符串的图书数量 System.out.println(calAll(books, ele -> ((String)ele).contains("八年级"))); // 统计书名中出现“英语”字符串的图书数量 System.out.println(calAll(books, ele -> ((String)ele).contains("英语"))); // 统计书名长度大于 5 的图书数量 System.out.println(calAll(books, ele -> ((String)ele).length() > 5)); } public static int calAll(Collection books, Predicate p) { int total = 0; for(Object obj : books) { // 使用 Predicate 的 test 方法判断该对象是否满足 Predicate 指定的条件 if(p.test(obj)) { total++; } } return total; } } 输出结果： 3 1 1
可以看到，如果用传统的编程方式来完成这些需求，需要执行三次循环。但采用 Predicate 只需要一个方法。
7. 使用 Java 8 新增的 Stream 操作集合
- Java 8 新增了 Stream、IntStream、LongStream、DoubleStream 等流式 API，这些 API 代表多个支持串行和并行聚集操作的元素。
- Stream 是一个通用的流接口；
- IntStream 是元素类型为 int 的流；
- LongStream 是元素类型为 long 的流；
- DoubleStream 是元素类型为 double 的流。
- Java 8 还为上面的每个流式 API 提供了对应的 Builder，开发者可以通过这些 Builder 来创建对应的流
- Stream.Builder
- IntStream.Builder
- LongStream.Builder
- DoubleStream.Builder
- 独立使用 Stream 的步骤：
- 使用 Stream 或 XxxStream 的 builder() 类方法创建该 Stream 对应的 Builder；
- 重复调用 Builder 的 add() 方法向该流中添加多个元素；
- 调用 Builder 的 build() 方法获取对应的 Stream；
- 调用 Stream 的聚集方法（对大多数聚集方法而言，每个 Stream 只能执行一次）。
示例程序：
import java.util.stream.IntStream; public class IntStreamTest { public static void main(String[] args) { IntStream is = IntStream.builder() .add(20) .add(13) .add(-2) .add(18) .build(); // ① System.out.println("is 所有元素的最大值：" + is.max().getAsInt()); System.out.println("is 所有元素的最小值:" + is.min().getAsInt()); System.out.println("is 所有元素的总和：" + is.sum()); System.out.println("is 所有元素的总数：" + is.count()); System.out.println("is 所有元素的平均值：" + is.average()); System.out.println("is 所有元素的平方是否都大于 20：" + is.allMatch(ele -> ele * ele > 20)); System.out.println("is 是否包含任何元素的平方大于 20：" + is.anyMatch(ele -> ele * ele > 20)); // 将 is 映射成一个新的 Stream，新 Stream 每个元素是原 Stream 元素的 2 倍 + 1 IntStream newIs = is.map(ele -> ele * 2 + 1); // 使用方法引用的方式来遍历集合元素 newIs.forEach(System.out::println); // ② } }注意：① 和 ② 之间的代码每次只能执行一句。
- Stream 提供了大量方法进行聚集操作。这些方法既可以是“中间的”（intermediate），也可以是“末端的”（terminal）
- 中间方法：中间操作允许流保持打开状态，并允许直接调用后续方法。中间方法的返回值是另一个流。
- 末端方法：末端方法是对流的最终操作。当对某个 Stream 执行末端方法后，该流将会被“消耗”，不可再用。上面程序中的 sum()、count()、average() 等方法都是末端方法。
- 关于流的方法还有以下两个特征：
- 有状态的方法：这种方法会给流增加一些新的属性，譬如元素的唯一性、元素的最大数量、保证元素以排序的方式被处理等。有状态的方法往往需要更大的性能开销。
- 短路方法：短路方法可以尽早结束对流的操作，不必检查所有的元素。
- Stream 中常用的中间方法：
- filter(Predicate predicate)：过滤 Stream 中所有不符合 predicate 的元素。
- mapToXxx(ToXxxFunction mapper)：使用 ToXxxFunction 对流中的元素执行一对一的转换，该方法返回的新流中包含了 ToXxxFunction 转换生成的所有元素。
- peek(Consumer action)：依次对每个元素执行一些操作，该方法返回的流与原有流包含相同的元素。此方法主要用于调试。
- distinct()：该方法用于排序流中所有重复的元素(判断元素重复的标准是使用 equals() 比较返回 true)。这是一个有状态的方法。
- sorted()：该方法用于保证流中的元素在后续的访问中处于有序状态。这是一个有状态的方法。
- limit(long maxSize)：该方法用于保证对该流的后续访问中最大允许访问的元素。这是一个有状态的，短路的方法。
- Stream 常用的末端方法
- forEach(Consumer action)：遍历流中所有元素，对每个元素执行 action；
- toArray()：将流中所有元素转换为一个数组；
- reduce()：该方法有三个重载的版本，都用于通过某种操作来合并流中的元素；
- min()：返回流中所有元素的最小值；
- max()：返回流中所有元素的最大值；
- count()：返回流中所有元素的数量；
- anyMatch(Predicate predicate)：判断流中是否至少包含一个元素符合 Predicate 条件；
- allMatch(Predicate predicate)：判断流中是否每个元素都符合 Predicate 条件；
- noneMatch(Predicate predicate)：判断流中是否每个元素都不符合 Predicate 条件；
- findFirst()：返回流中第一个元素；
- findAny()：返回流中任意一个元素。
Java 8 允许用流式 API 来操作集合，Collection 接口提供了一个 stream() 默认方法，该方法可返回该集合对应的流，接下来就可以通过流式 API 来操作集合元素。由于 Stream 可以对集合元素进行整体的聚集操作，因此 Stream 极大地丰富了集合功能。
- 上面的程序需要额外定义一个 calAll() 方法来遍历集合元素，然后依次对每个集合元素进行判断。如果使用 Stream，即可直接对集合中所有元素进行批量操作，更为便捷。
import java.util.*; public class CollectionStream { public static void main(String[] args) { Collection books = new HashSet(); books.add("傲慢与偏见"); books.add("呼啸山庄"); books.add("禅与摩托车维修艺术"); books.add("八年级语文"); books.add("八年级数学"); books.add("八年级英语"); // 统计书名中出现“八年级”字符串的图书数量 System.out.println(books.stream() .filter(ele -> ((String)ele).contains("八年级")) .count()); // 统计书名中出现“英语”字符串的图书数量 System.out.println(books.stream() .filter(ele -> ((String)ele).contains("英语")) .count()); // 统计书名长度大于 5 的图书数量 System.out.println(books.stream() .filter(ele -> ((String)ele).length() > 5) .count()); // 先调用 Collection 对象的 stream() 方法将集合转换为 Stream // 再调用 Stream 的 mapToInt() 方法获取原有的 Stream 对应的 IntStream books.stream().mapToInt(ele -> ((String)ele).length()) // 调用 forEach() 方法遍历 IntStream 中每个元素 .forEach(System.out::println); } } 输出结果： 3 1 1 9 5 5 5 4 5
- 上面的程序需要额外定义一个 calAll() 方法来遍历集合元素，然后依次对每个集合元素进行判断。如果使用 Stream，即可直接对集合中所有元素进行批量操作，更为便捷。