Java学习笔记（三）：集合类与常用数据结构的典型用法

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1 Collection集合

1.1 集合概述

在前面基础班我们已经学习过并使用过集合ArrayList ,那么集合到底是什么呢?

• 集合：集合是java中提供的一种容器，可以用来存储多个数据。

集合和数组既然都是容器，它们有啥区别呢？

• 数组的长度是固定的。集合的长度是可变的。
• 数组中存储的是同一类型的元素，可以存储基本数据类型值。集合存储的都是对象。而且对象的类型可以不一致。在开发中一般当对象多的时候，使用集合进行存储。

1.2 集合框架

JAVA SE提供了满足各种需求的API，在使用这些API前，先了解其继承与接口操作架构，才能了解何时采用哪个类，以及类之间如何彼此合作，从而达到灵活应用。

集合按照其存储结构可以分为两大类，分别是单列集合java.util.Collection和双列集合java.util.Map。

• Collection：单列集合类的根接口，用于存储一系列符合某种规则的元素，它有两个重要的子接口，分别是java.util.List和java.util.Set。其中，List的特点是元素有序、元素可重复。Set的特点是元素无序，而且不可重复。List接口的主要实现类有java.util.ArrayList和java.util.LinkedList，Set接口的主要实现类有java.util.HashSet和java.util.TreeSet。

从上面的描述可以看出JDK中提供了丰富的集合类库，为了便于进行系统地学习，接下来通过一张图来描述整个集合类的继承体系。

Collection集合体系图

其中，橙色框里填写的都是接口类型，而蓝色框里填写的都是具体的实现类。

集合本身是一个工具，它存放在java.util包中。在Collection接口定义着单列集合框架中最最共性的内容。

• Collection接口
  • 定义的是所有单列集合的共性方法，所有单列集合都可以使用共性方法
  • 没有带索引的方法
• List接口
  • 有序集合（存储和取出的元素顺序相同）
  • 允许存储相同的元素
  • 有索引，可以使用普通的for循环遍历
• Set接口
  • 不允许储存重复元素
  • 没有索引
• TreeSet集合： 无序的集合（存储和取出的顺序可能不一致）
• LinkedHashSet集合：有序的集合

1.3 Collection 常用功能

Collection是所有单列集合的父接口，因此在Collection中定义了单列集合(List和Set)通用的一些方法，这些方法可用于操作所有的单列集合。方法如下：

• public boolean add(E e)： 把给定的对象添加到当前集合中 。
• public void clear() :清空集合中所有的元素。
• public boolean remove(E e): 把给定的对象在当前集合中删除。
• public boolean contains(E e): 判断当前集合中是否包含给定的对象。
• public boolean isEmpty(): 判断当前集合是否为空。
• public int size(): 返回集合中元素的个数。
• public Object[] toArray(): 把集合中的元素，存储到数组中。

方法演示：

import java.util.ArrayList;
import java.util.Collection;

public class Demo1Collection {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建集合对象 
        // 使用多态形式
        Collection coll = new ArrayList();
        // 使用方法
        // 添加功能  boolean  add(String s)
        coll.add("小李广");
        coll.add("扫地僧");
        coll.add("石破天");
        System.out.println(coll);

        // boolean contains(E e) 判断o是否在集合中存在
        System.out.println("判断  扫地僧 是否在集合中"+coll.contains("扫地僧"));

        //boolean remove(E e) 删除在集合中的o元素
        System.out.println("删除石破天："+coll.remove("石破天"));
        System.out.println("操作之后集合中元素:"+coll);
        
        // size() 集合中有几个元素
        System.out.println("集合中有"+coll.size()+"个元素");

        // Object[] toArray()转换成一个Object数组
        Object[] objects = coll.toArray();
        // 遍历数组
        for (int i = 0; i < objects.length; i++) {
            System.out.println(objects[i]);
        }

        // void  clear() 清空集合
        coll.clear();
        System.out.println("集合中内容为："+coll);
        // boolean  isEmpty()  判断是否为空
        System.out.println(coll.isEmpty());     
    }
}

tips: 有关Collection中的方法可不止上面这些，其他方法可以自行查看API学习。

2 Iterator迭代器

2.1 Iterator接口

在程序开发中，经常需要遍历集合中的所有元素。针对这种需求，JDK专门提供了一个接口java.util.Iterator。Iterator接口也是Java集合中的一员，但它与Collection、Map接口有所不同，Collection接口与Map接口主要用于存储元素，而Iterator主要用于迭代访问（即遍历）Collection中的元素，因此Iterator对象也被称为迭代器。

想要遍历Collection集合，那么就要获取该集合迭代器完成迭代操作，下面介绍一下获取迭代器的方法：

• public Iterator iterator(): 获取集合对应的迭代器，用来遍历集合中的元素的。

下面介绍一下迭代的概念：

• 迭代：即Collection集合元素的通用获取方式。在取元素之前先要判断集合中有没有元素，如果有，就把这个元素取出来，继续在判断，如果还有就再取出出来。一直把集合中的所有元素全部取出。这种取出方式专业术语称为迭代。

Iterator接口的常用方法如下：

• public E next():返回迭代的下一个元素。
• public boolean hasNext():如果仍有元素可以迭代，则返回 true。

接下来我们通过案例学习如何使用Iterator迭代集合中元素：

public class IteratorDemo {
    public static void main(String[] args) {
        // 使用多态方式 创建对象
        Collection coll = new ArrayList();

        // 添加元素到集合
        coll.add("串串星人");
        coll.add("吐槽星人");
        coll.add("汪星人");
        //遍历
        //使用迭代器 遍历   每个集合对象都有自己的迭代器
        Iterator it = coll.iterator();
        //  泛型指的是 迭代出 元素的数据类型
        while(it.hasNext()){ //判断是否有迭代元素
            String s = it.next();//获取迭代出的元素
            System.out.println(s);
        }
    }
}

tips:：在进行集合元素取出时，如果集合中已经没有元素了，还继续使用迭代器的next方法，将会发生java.util.NoSuchElementException没有集合元素的错误。

2.2 迭代器的实现原理

我们在之前案例已经完成了Iterator遍历集合的整个过程。当遍历集合时，首先通过调用t集合的iterator()方法获得迭代器对象，然后使用hashNext()方法判断集合中是否存在下一个元素，如果存在，则调用next()方法将元素取出，否则说明已到达了集合末尾，停止遍历元素。

Iterator迭代器对象在遍历集合时，内部采用指针的方式来跟踪集合中的元素，接下来通过一个图例来演示Iterator对象迭代元素的过程：

[图片上传失败...(image-f7f78f-1578662909682)]

在调用Iterator的next方法之前，迭代器的索引位于第一个元素之前，不指向任何元素，当第一次调用迭代器的next方法后，迭代器的索引会向后移动一位，指向第一个元素并将该元素返回，当再次调用next方法时，迭代器的索引会指向第二个元素并将该元素返回，依此类推，直到hasNext方法返回false，表示到达了集合的末尾，终止对元素的遍历。

2.3 增强for循环

增强for循环(也称for each循环)是JDK1.5以后出来的一个高级for循环，专门用来遍历数组和集合的。它的内部原理其实是个Iterator迭代器，所以在遍历的过程中，不能对集合中的元素进行增删操作。

格式：

for(元素的数据类型  变量 : Collection集合or数组){ 
    //写操作代码
}

它用于遍历Collection和数组。通常只进行遍历元素，不要在遍历的过程中对集合元素进行增删操作。

遍历数组

public class NBForDemo1 {
    public static void main(String[] args) {
        int[] arr = {3,5,6,87};
        //使用增强for遍历数组
        for(int a : arr){//a代表数组中的每个元素
            System.out.println(a);
        }
    }
}

遍历集合

public class NBFor {
    public static void main(String[] args) {        
        Collection coll = new ArrayList();
        coll.add("小河神");
        coll.add("老河神");
        coll.add("神婆");
        //使用增强for遍历
        for(String s :coll){//接收变量s代表 代表被遍历到的集合元素
            System.out.println(s);
        }
    }
}

tips: 新for循环必须有被遍历的目标。目标只能是Collection或者是数组。新式for仅仅作为遍历操作出现。

3 泛型

3.1 泛型概述

在前面学习集合时，我们都知道集合中是可以存放任意对象的，只要把对象存储集合后，那么这时他们都会被提升成Object类型。当我们在取出每一个对象，并且进行相应的操作，这时必须采用类型转换。

大家观察下面代码：

public class GenericDemo {
    public static void main(String[] args) {
        Collection coll = new ArrayList();
        coll.add("abc");
        coll.add("itcast");
        coll.add(5);//由于集合没有做任何限定，任何类型都可以给其中存放
        Iterator it = coll.iterator();
        while(it.hasNext()){
            //需要打印每个字符串的长度,就要把迭代出来的对象转成String类型
            String str = (String) it.next();
            System.out.println(str.length());
        }
    }
}

程序在运行时发生了问题java.lang.ClassCastException。 为什么会发生类型转换异常呢？ 我们来分析下：由于集合中什么类型的元素都可以存储。导致取出时强转引发运行时 ClassCastException。 怎么来解决这个问题呢？ Collection虽然可以存储各种对象，但实际上通常Collection只存储同一类型对象。例如都是存储字符串对象。因此在JDK5之后，新增了泛型(Generic)语法，让你在设计API时可以指定类或方法支持泛型，这样我们使用API的时候也变得更为简洁，并得到了编译时期的语法检查。

• 泛型：可以在类或方法中预支地使用未知的类型。

tips:一般在创建对象时，将未知的类型确定具体的类型。当没有指定泛型时，默认类型为Object类型。

3.2 使用泛型的好处

上一节只是讲解了泛型的引入，那么泛型带来了哪些好处呢？

• 将运行时期的ClassCastException，转移到了编译时期变成了编译失败。
• 避免了类型强转的麻烦。

通过我们如下代码体验一下：

public class GenericDemo2 {
    public static void main(String[] args) {
        Collection list = new ArrayList();
        list.add("abc");
        list.add("itcast");
        // list.add(5);//当集合明确类型后，存放类型不一致就会编译报错
        // 集合已经明确具体存放的元素类型，那么在使用迭代器的时候，迭代器也同样会知道具体遍历元素类型
        Iterator it = list.iterator();
        while(it.hasNext()){
            String str = it.next();
            //当使用Iterator控制元素类型后，就不需要强转了。获取到的元素直接就是String类型
            System.out.println(str.length());
        }
    }
}

tips:泛型是数据类型的一部分，我们将类名与泛型合并一起看做数据类型。

3.3 泛型的定义与使用

我们在集合中会大量使用到泛型，这里来完整地学习泛型知识。

泛型，用来灵活地将数据类型应用到不同的类、方法、接口当中。将数据类型作为参数进行传递。

定义和使用含有泛型的类

定义格式：

修饰符 class 类名<代表泛型的变量> {  }

例如，API中的ArrayList集合：

class ArrayList{ 
    public boolean add(E e){ }

    public E get(int index){ }
    ....
}

使用泛型： 即什么时候确定泛型。

在创建对象的时候确定泛型

例如，ArrayList list = new ArrayList();

此时，变量E的值就是String类型,那么我们的类型就可以理解为：

class ArrayList{ 
     public boolean add(String e){ }

     public String get(int index){  }
     ...
}

再例如，ArrayList list = new ArrayList();

此时，变量E的值就是Integer类型,那么我们的类型就可以理解为：

class ArrayList { 
     public boolean add(Integer e) { }

     public Integer get(int index) {  }
     ...
}

举例自定义泛型类

public class MyGenericClass {
    //没有MVP类型，在这里代表 未知的一种数据类型 未来传递什么就是什么类型
    private MVP mvp;
     
    public void setMVP(MVP mvp) {
        this.mvp = mvp;
    }
     
    public MVP getMVP() {
        return mvp;
    }
}

使用:

public class GenericClassDemo {
    public static void main(String[] args) {         
         // 创建一个泛型为String的类
         MyGenericClass my = new MyGenericClass();      
         // 调用setMVP
         my.setMVP("大胡子登登");
         // 调用getMVP
         String mvp = my.getMVP();
         System.out.println(mvp);
         //创建一个泛型为Integer的类
         MyGenericClass my2 = new MyGenericClass(); 
         my2.setMVP(123);         
         Integer mvp2 = my2.getMVP();
    }
}

含有泛型的方法

定义格式：

修饰符 <代表泛型的变量> 返回值类型 方法名(参数){  }

例如，

public class MyGenericMethod {    
    public  void show(MVP mvp) {
        System.out.println(mvp.getClass());
    }
    
    public  MVP show2(MVP mvp) {   
        return mvp;
    }
}

使用格式：调用方法时，确定泛型的类型

public class GenericMethodDemo {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建对象
        MyGenericMethod mm = new MyGenericMethod();
        // 演示看方法提示
        mm.show("aaa");
        mm.show(123);
        mm.show(12.45);
    }
}

含有泛型的接口

定义格式：

修饰符 interface接口名<代表泛型的变量> {  }

例如，

public interface MyGenericInterface{
    public abstract void add(E e);
    
    public abstract E getE();  
}

使用格式：

1、定义类时确定泛型的类型

例如

public class MyImp1 implements MyGenericInterface {
    @Override
    public void add(String e) {
        // 省略...
    }

    @Override
    public String getE() {
        return null;
    }
}

此时，泛型E的值就是String类型。

2、始终不确定泛型的类型，直到创建对象时，确定泛型的类型

例如

public class MyImp2 implements MyGenericInterface {
    @Override
    public void add(E e) {
         // 省略...
    }

    @Override
    public E getE() {
        return null;
    }
}

确定泛型：

/*
 * 使用
 */
public class GenericInterface {
    public static void main(String[] args) {
        MyImp2  my = new MyImp2();  
        my.add("aa");
    }
}

3.4 泛型通配符

当使用泛型类或者接口时，传递的数据中，泛型类型不确定，可以通过通配符表示。但是一旦使用泛型的通配符后，只能使用Object类中的共性方法，集合中元素自身方法无法使用。

通配符基本使用

泛型的通配符:不知道使用什么类型来接收的时候,此时可以使用?,?表示未知通配符。

此时只能接受数据,不能往该集合中存储数据。

举个例子大家理解使用即可：

public static void main(String[] args) {
    Collection list1 = new ArrayList();
    getElement(list1);
    Collection list2 = new ArrayList();
    getElement(list2);
}
public static void getElement(Collection coll){}
//？代表可以接收任意类型

tips:泛型不存在继承关系 Collection