概述
在Java集合框架中，还有两个经常用到的工具类：Collections和Arrays。顾名思义，Collections是用来操作集合的工具类，而Arrays是用来操作数组的工具类。这两个工具类提供了许多用于各自操作的静态方法。
本篇文章，我们先来学习一下Collections工具类。
构造方法和属性
private Collections() {
}
构造方法私有，说明不对外提供，一般我们用到的时候都是用Collections提供的静态方法即可。
private static final int BINARYSEARCH_THRESHOLD = 5000;
private static final int REVERSE_THRESHOLD = 18;
private static final int SHUFFLE_THRESHOLD = 5;
private static final int FILL_THRESHOLD = 25;
private static final int ROTATE_THRESHOLD = 100;
private static final int COPY_THRESHOLD = 10;
private static final int REPLACEALL_THRESHOLD = 11;
private static final int INDEXOFSUBLIST_THRESHOLD = 35;
上面这些属性是Collections的调优参数。通常Collections的许多算法都有两个实现，一个适用于随机访问，另一个适合顺序访问。通常随机访问在列表数据量小的适合可以获得很好的性能，这里的每个值代表了该操作使用随机访问的数据的阈值。而这些值的确定是根据以往的经验确定的，对LinkedList是很有效的。这里每个调优参数名的第一个词是它所应用的算法。
sort方法
public static > void sort(List list) {
list.sort(null);
}
public static void sort(List list, Comparator c) {
list.sort(c);
}
Collections有两个sort方法，第一个要求List中的对象必须要实现了Comparable接口；而第二个方法则不要求实现Comparable接口，但可以自定义比较器。但两者底层实现都是通过List接口的默认方法sort。
/**
* 转成数组然后调用Arrays的sort方法进行排序
*/
default void sort(Comparator c) {
Object[] a = this.toArray();
Arrays.sort(a, (Comparator) c);
ListIterator i = this.listIterator();
for (Object e : a) {
i.next();
i.set((E) e);
}
}
我们可以看到，List的sort方法是使用了JDK8接口的新特性-默认方法来实现的。
binarySearch方法
使用二分查找算法查找对象。调用这个方法必须有两个前提：
- 这个集合必须已经排好序；
- 这个集合必须可以比较；
如果没有排序，那查询出来的结果就没有什么意义。同样，如果对象类型不同，无法进行比较，将会抛出异常ClassCastException。并且如果列表中包含要查询对象的多个重复对象，那么不保证每次找到的元素的位置相同。
public static int binarySearch(List> list, T key) {
if (list instanceof RandomAccess || list.size() 该方法会根据条件的不同调用两个私有的方法来进行查找。如果List支持随机访问，并且小于二分查找的阈值5000，则调用indexedBinarySearch，否则，调用iteratorBinarySearch，借助迭代器来进行访问。
private static
int indexedBinarySearch(List> list, T key) {
int low = 0;
int high = list.size()-1;
while (low <= high) {
// 使用位运算，计算中间索引值
int mid = (low + high) >>> 1;
// 计算中间的元素值
Comparable midVal = list.get(mid);
// 进行比较
int cmp = midVal.compareTo(key);
if (cmp < 0)
// 比传入的key小，在list的高位部分查找
low = mid + 1;
else if (cmp > 0)
// 比传入的key大，在list的低位部分查询
high = mid - 1;
else
// 相等，直接返回
return mid; // key found
}
// 没有找到，返回负数
return -(low + 1); // key not found
}
而通过使用迭代器遍历的方式，则需要借助Collections.get方法来实现，这种实现会涉及到循环遍历，所以效率会稍微低些。
private static
int iteratorBinarySearch(List> list, T key)
{
int low = 0;
int high = list.size()-1;
// 通过ListIterator迭代器来进行查找
ListIterator> i = list.listIterator();
while (low <= high) {
int mid = (low + high) >>> 1;
// 通过Collections.get方法获取中间索引处的元素值
Comparable midVal = get(i, mid);
int cmp = midVal.compareTo(key);
if (cmp < 0)
low = mid + 1;
else if (cmp > 0)
high = mid - 1;
else
return mid; // key found
}
return -(low + 1); // key not found
}
get方法源码：
private static T get(ListIterator i, int index) {
T obj = null;
// 获取下一个索引值
int pos = i.nextIndex();
// 循环判断获取的索引是否小于中间索引index
// 如果小于，从前往后遍历，否则，从后往前遍历，最后返回元素值
if (pos <= index) {
do {
obj = i.next();
} while (pos++ < index);
} else {
do {
obj = i.previous();
} while (--pos > index);
}
return obj;
}
同样，binarySearch也是有两个重载的方法，实现是类似的，就不多说了。
reverse方法
列表反转方法，如果列表支持随机访问或者列表大小小于要反转的阈值18，则直接采用交换操作；否则采用双迭代操作，一个从头遍历，一个从尾遍历，然后交换。
public static void reverse(List list) {
int size = list.size();
if (size < REVERSE_THRESHOLD || list instanceof RandomAccess) {
for (int i=0, mid=size>>1, j=size-1; i>1; i 其中执行直接交换操作的swap方法很精妙，借助list的set方法返回旧值的属性，使用双重set方式来实现交换：
swap方法
public static void swap(List list, int i, int j) {
final List l = list;
l.set(i, l.set(j, l.get(i)));
}
l.set(j, l.get(i)) 这里在设置j处为新的值的同时，会返回索引j处原来的值，然后再次set，很巧妙的实现了交换操作。
shuffle方法
shuffle翻译过来是重新洗牌的意思，该方法是将list原有数据打乱生成一个新的乱序列表。通俗点来说，旧相当于重新洗牌，打乱原来的顺序。还有一点，shuffle方法再生成乱序列表的时候，所有元素发生交换的可能性是近似相等的。
public static void shuffle(List list, Random rnd) {
int size = list.size();
if (size < SHUFFLE_THRESHOLD || list instanceof RandomAccess) {
for (int i=size; i>1; i--)
swap(list, i-1, rnd.nextInt(i));
} else {
// 转成数组进行处理
Object arr[] = list.toArray();
// 打乱顺序
for (int i=size; i>1; i--)
swap(arr, i-1, rnd.nextInt(i));
// 将数组放回列表中
ListIterator it = list.listIterator();
for (int i=0; i
- 从上面可以看出，如果列表支持随机访问或者列表大小小于重新打乱顺序的阈值5，那么就进行交换。交换的规则是从当前列表的最后一个元素开始，依次和前面随机一个元素进行交换，这样交换整个列表，就可以认为这个列表是无序的。
- 如果列表不满足上述条件，就将列表先转为数组，然后按照相同的方式进行交换处理，最后再将数组放回列表中即可。
- shuffle还有另一个重载方法，可以传入指定种子数的Random。也就是说一旦指定了种子数，那么每次将会产生相同的随机数，也就相当于这种随机生成的元素就是一种伪随机。我们可以根据需要调用相应的方法。
fill方法
将List的原有数据全部填充为一个固定的元素。同样也分两种情况，如果列表支持随机访问或者大小小于要填充的阈值，就直接遍历List进行set操作即可；否则，使用iterator迭代器模式进行设值。
public static void fill(List list, T obj) {
int size = list.size();
// 如果大小小于阈值或者支持随机访问
if (size < FILL_THRESHOLD || list instanceof RandomAccess) {
for (int i=0; i itr = list.listIterator();
for (int i=0; i copy方法
将原集合中元素拷贝到另一个集合中。
public static void copy(List dest, List src) {
int srcSize = src.size();
// 如果原列表大于目标列表大小，抛异常
if (srcSize > dest.size())
throw new IndexOutOfBoundsException("Source does not fit in dest");
// 同样分两种情况处理
if (srcSize < COPY_THRESHOLD ||
(src instanceof RandomAccess && dest instanceof RandomAccess)) {
for (int i=0; i di=dest.listIterator();
ListIterator si=src.listIterator();
for (int i=0; i 这里需要注意的一点就是，原列表的大小不能大于目标列表的大小。同样，这里拷贝的方式也是有两种处理方式。
min方法，max方法
min方法返回指定集合的最小元素，根据自然顺序进行比较。需要注意的一点就是集合中的元素必须是可比较的（实现Comparable）。该方法通过使用迭代器迭代整个集合。
public static > T min(Collection coll) {
// 使用迭代器来操作
Iterator i = coll.iterator();
// 通过一个变量来保存最小值
T candidate = i.next();
while (i.hasNext()) {
T next = i.next();
// 通过compareTo方法来进行比较
if (next.compareTo(candidate) < 0)
candidate = next;
}
return candidate;
}
该方法还有一个重载方法，可以指定比较器，实现相似，就不多说了：
public static T min(Collection coll, Comparator comp)
同理，max方法是获取集合的最大元素，和min方法类似，也有两个重载方法，不多说了。
rotate方法
public static void rotate(List list, int distance)
对集合进行旋转操作，实际上就是集合里的元素右移操作，参数distance就是右移的距离。我们先举个简单的例子看下就明白了：
public static void main(String[] args) {
List list = new ArrayList<>();
list.add(1);
list.add(2);
list.add(3);
list.add(4);
list.add(5);
list.add(6);
list.add(7);
list.add(8);
list.add(9);
System.out.println("src list : " + list.toString());
Collections.rotate(list, 2);
System.out.println("rotate list : " + list.toString());
}
output：
src list : [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9]
rotate list : [8, 9, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7]
很明显，右移两位就是将列表整体右移两位，最后两位移动到最前面而已。我们来看下源码：
public static void rotate(List list, int distance) {
if (list instanceof RandomAccess || list.size() < ROTATE_THRESHOLD)
rotate1(list, distance);
else
rotate2(list, distance);
}
同样，rotate方法也是分为两种情况，如果集合支持随机访问或者集合大小小于旋转的阈值，则执行rotate1操作；否则，执行rotate2操作。
private static void rotate1(List list, int distance) {
int size = list.size();
if (size == 0)
return;
// 距离取余，计算实际要移动距离
distance = distance % size;
// 考虑有可能是负数
if (distance < 0)
distance += size;
if (distance == 0)
return;
// 循环移动
for (int cycleStart = 0, nMoved = 0; nMoved != size; cycleStart++) {
T displaced = list.get(cycleStart);
int i = cycleStart;
do {
// 通过distance来确定下标
i += distance;
if (i >= size)
i -= size;
displaced = list.set(i, displaced);
// nMoved是最终移动的次数
nMoved ++;
} while (i != cycleStart);
}
}
而对于rotate2方法，则是借助于反转方法reverse方法来进行操作的。
private static void rotate2(List list, int distance) {
int size = list.size();
if (size == 0)
return;
int mid = -distance % size;
if (mid < 0)
mid += size;
if (mid == 0)
return;
reverse(list.subList(0, mid));
reverse(list.subList(mid, size));
reverse(list);
}
这个方法比较精妙。比如我们要对[1,2,3,4,5,6,7,8,9]进行3位旋转，则我们旋转的方式可以是：先对前size-3位进行反转，然后再对后3位进行反转，最后整体再进行反转就可以实现旋转的操作了。其中，mid的值就是确定要前后反转的中间值。
我们用一张图来看一下就明白了：
replaceAll方法
替换集合中的某一个元素为新的元素，可以替换null元素。该方法同样分为两种操作，如果集合支持随机访问或者集合大小小于要替换的阈值大小，使用对象的equals方法加list的set方法进行操作；否则，使用迭代器进行迭代操作。
public static boolean replaceAll(List list, T oldVal, T newVal) {
boolean result = false;
int size = list.size();
// 如果支持序列化或者集合大小小于替换的阈值11
if (size < REPLACEALL_THRESHOLD || list instanceof RandomAccess) {
// 如果旧值为null
if (oldVal==null) {
// 遍历数组，将为null的都替换为新的值
for (int i=0; i itr=list.listIterator();
if (oldVal==null) {
for (int i=0; i indexOfSubList方法和lastIndexOfSubList方法
查找集合包含子集合的下标索引，如果查找不到则返回-1。indexOfSubList是查找第一次出现的索引，而lastIndexOfSubList则是查找最后一次出现的索引。这两个方法的性能都不是太好，都是一种属于暴力搜索的算法，并且这里用到了Java中循环标签的概念。
public static int indexOfSubList(List source, List target) {
// 原集合大小
int sourceSize = source.size();
// 目标集合大小
int targetSize = target.size();
int maxCandidate = sourceSize - targetSize;
// 如果原集合和目标集合都支持随机访问，或者原集合小于阈值
if (sourceSize < INDEXOFSUBLIST_THRESHOLD ||
(source instanceof RandomAccess&&target instanceof RandomAccess)) {
nextCand:
// 双层遍历
for (int candidate = 0; candidate <= maxCandidate; candidate++) {
for (int i=0, j=candidate; i si = source.listIterator();
nextCand:
// 使用迭代器来进行循环
for (int candidate = 0; candidate <= maxCandidate; candidate++) {
ListIterator ti = target.listIterator();
for (int i=0; i unmodifiable方法
Collections提供了一系列以unmodifiable开头的方法，用来在原集合基础上生成一个不可变的集合。比如unmodifiableSet，unmodifiableSortedMap等等。
public static void main(String[] args) {
List list = new ArrayList<> ();
list.add(1);
list.add(2);
list.add(3);
List list1 = Collections.unmodifiableList(list);
list1.add(4);
System.out.println(list1);
}
output：
Exception in thread "main" java.lang.UnsupportedOperationException
at java.util.Collections$UnmodifiableCollection.add(Collections.java:1055)
at com.jdk8.ListTest.main(ListTest.java:19)
我们大致看一下unmodifiableList的几个方法，来看一下它是不和保证不可变的。
public void add(int index, E element) {
throw new UnsupportedOperationException();
}
public E remove(int index) {
throw new UnsupportedOperationException();
}
方法很简单，就是在调用一些增删改方法的时候，直接抛异常来保证不可变。
synchronized方法
Collections也提供了一系列以synchronized开头的方法，用来将原集合转成一个线程安全的集合。比如synchronizedList，synchronizedMap等。我们来大致看下synchronizedList的实现。
public static List synchronizedList(List list) {
return (list instanceof RandomAccess ?
new SynchronizedRandomAccessList<>(list) :
new SynchronizedList<>(list));
}
可以看到，synchronizedList底层调用了Collections的静态内部类SynchronizedList。再看下SynchronizedList：
static class SynchronizedList extends SynchronizedCollection
implements List {
final List list;
SynchronizedList(List list) {
super(list);
this.list = list;
}
public E get(int index) {
synchronized (mutex) {return list.get(index);}
}
public E set(int index, E element) {
synchronized (mutex) {return list.set(index, element);}
}
public void add(int index, E element) {
synchronized (mutex) {list.add(index, element);}
}
}
可以看到，SynchronizedList内部的每个方法基本都使用了synchronized关键字，mutex是要同步的对象，位于SynchronizedCollection中。
final Object mutex; // Object on which to synchronize
checked方法
Collections提供了一系列以checked开头的方法，用于获取动态类型安全的集合，常用于泛型相关操作。比如说当我们想往集合中插入一组数据的时候，除了可以明确指定数据的类型（List
public static void main(String[] args) {
List list = new ArrayList<> ();
list.add(1);
list.add(2);
list.add(3);
List list1 = Collections.checkedList(list, String.class);
list1.add(4);
System.out.println(list1);
}
我们通过 Collections.checkedList(list, String.class); 方法将list1的对象设置为了字符串类型，如果再传入其他类型的值，将会抛出异常：
Exception in thread "main" java.lang.ClassCastException: Attempt to insert class java.lang.Integer element into collection with element type class java.lang.String
at java.util.Collections$CheckedCollection.typeCheck(Collections.java:3037)
at java.util.Collections$CheckedCollection.add(Collections.java:3080)
at com.jdk8.ListTest.main(ListTest.java:19)
需要注意的是，checked方法只会检查新插入的元素，并不会校验列表中已经存在的元素。如果我们有需要，可以新创建一个新的checked列表，并调用addAll方法重新插入所有元素进行校验。
所以它的用处也大概有两点：
- 检查类型安全，比如我们上面使用的方式；
- 在某种程度上也可以用作调试工具，来查找代码在哪里插入了错误类型的类，以防出现这种类型转换问题但却无法找出其中的原因的这种情况。可参考：
What is the Collections.checkedList() call for in java?
empty方法
Collections也提供了一系列以empty开头的方法，用户获取空的集合。比如emptySet，emptyList，emptyMap等方法。
public static final List emptyList() {
return (List) EMPTY_LIST;
}
当然，获取到的集合是无法修改的。一般用于接口返回空的数据。
frequency方法
该方法用于获取某一个元素在集合中出现的次数，并且可以统计null，底层通过遍历比较来实现。
public static int frequency(Collection c, Object o) {
int result = 0;
if (o == null) {
for (Object e : c)
if (e == null)
result++;
} else {
for (Object e : c)
if (o.equals(e))
result++;
}
return result;
}
disjoint方法
public static boolean disjoint(Collection c1, Collection c2)
disjoint方法用于判断两个指定的集合是否互斥，即是否没有共同的元素，如果没有共同的元素，说明互斥返回true，如果有说明不互斥，返回false。文档中有以下说明：
- 两个参数都不能为null，否则抛出空指针异常；
- 如果两个参数传递相同的集合，这种情况下，如果集合是空的，在返回true；否则返回false；
先简单看一下例子：
public static void main(String[] args) {
List srcList = new ArrayList<>(5);
srcList.add(1);
srcList.add(2);
srcList.add(3);
List destList = new ArrayList<>(10);
destList.add(1);
destList.add(4);
destList.add(5);
// check elements in both collections
boolean isCommon = Collections.disjoint(srcList, destList);
System.out.println("No commom elements: "+isCommon);
}
output：
No commom elements: false
我们来看一下源码：
public static boolean disjoint(Collection c1, Collection c2) {
Collection contains = c2;
Collection iterate = c1;
// Performance optimization cases. The heuristics:
// 1. Generally iterate over c1.
// 2. If c1 is a Set then iterate over c2.
// 3. If either collection is empty then result is always true.
// 4. Iterate over the smaller Collection.
if (c1 instanceof Set) {
// Use c1 for contains as a Set's contains() is expected to perform
// better than O(N/2)
iterate = c2;
contains = c1;
} else if (!(c2 instanceof Set)) {
// Both are mere Collections. Iterate over smaller collection.
// Example: If c1 contains 3 elements and c2 contains 50 elements and
// assuming contains() requires ceiling(N/2) comparisons then
// checking for all c1 elements in c2 would require 75 comparisons
// (3 * ceiling(50/2)) vs. checking all c2 elements in c1 requiring
// 100 comparisons (50 * ceiling(3/2)).
int c1size = c1.size();
int c2size = c2.size();
if (c1size == 0 || c2size == 0) {
// At least one collection is empty. Nothing will match.
return true;
}
if (c1size > c2size) {
iterate = c2;
contains = c1;
}
}
// 遍历iterate集合，然后通过contains方法比较
for (Object e : iterate) {
if (contains.contains(e)) {
// 发现了相同的元素，直接返回false
return false;
}
}
// 没有发现相同的元素
return true;
}
底层使用了两个临时变量contains和iterate，iterate适合于数据量小的集合，因为要遍历iterate，而contains适用于数据量大的集合，因为可以使用集合的contains方法。这样做的原因是因为contains方法的复杂度要比遍历iterate的复杂度低，这是一种简单的优化方式。
addAll方法
public static
boolean addAll(Collection c, T... elements)
用于向集合中添加多个元素，其中elements是一个可变参数，可以传递多个值。
public static boolean addAll(Collection c, T... elements) {
boolean result = false;
for (T element : elements)
result |= c.add(element);
return result;
}
方法很简单，底层通过循环调用集合的add方法来实现，然后通过位与运算来返回是否添加成功。
newSetFromMap方法
这个方法是基于指定的Map对象创建一个新的Set对象，它持有这个Map对象的引用，并且可以保持Map的顺序，并发和性能特征。在调用该方法时，指定的map对象必须是空的，并且对象的value属性是boolean类型。一般对这个类的最佳实践如下：
Set concurrentSet = Collections.newSetFromMap(new IdentityHashMap());
由于在java.util.concurrent包下没有线程安全的ConcurrentHashSet的实现，我们可以借助于ConcurrentHashMap来实现，而另一种实现方式就是通过这个方法；
Set concurrentSet = Collections.newSetFromMap(new ConcurrentHashMap());
reverseOrder方法
public static
Comparator reverseOrder()
返回对象集合排序的自然排序的逆序，通常我们可以如下使用：
Collections.sort(list, Collections.reverseOrder());
我们使用一个简单的例子来实现，比如：
public static void main(String[] args) {
List list = new ArrayList<>();
list.add(1);
list.add(5);
list.add(3);
System.out.println(list);
Collections.sort(list, Collections.reverseOrder());
System.out.println(list);
}
output：
[1, 5, 3]
[5, 3, 1]
同样，该方法也有一个重载方法：
public static Comparator reverseOrder(Comparator cmp)
该方法就是返回我们所传入的比较器的逆序排序比较器。
其他方法
Collections中还有一些方法，比如 singletonList(T o)，返回包含指定对象的不可变列表；asLifoQueue 将Deque转成后进先出（LIFO）队列，也就是栈结构；nCopies，返回包含指定对象的n个不可变的列表；还有一些使用不太多的方法就不多说了。
比如：
public static void main(String[] args) {
List list = Collections.nCopies(5, "Java");
for (String object : list) {
System.out.println("object : " + object);
}
}
打印：
object : Java
object : Java
object : Java
object : Java
object : Java
总结
本篇文章学习了Collections中几乎所有的public方法，通过学习这些方法，让我们以后在对集合进行操作的时候，可以想到使用Collections的这些方法。并且有些方法的源码实现很精妙，我们在写代码的时候也可以参考以一下。
如果有些方法大家不知道怎么使用，可以去stackoverflow上面搜索一下就可以了。
本文参考自：
https://docs.oracle.com/javase/8/docs/api/
Java 8, Implementing a ConcurrentHashSet
Collections.newSetFromMap(»ConcurrentHashMap«) vs. Collections.synchronizedSet(»HashSet«)
Use of Java's Collections.singletonList()?