十二、集合（2）
本章概要
- 添加元素组
- 集合的打印
- 列表 List
添加元素组
在 java.util 包中的 Arrays 和 Collections 类中都有很多实用的方法，可以在一个 Collection 中添加一组元素。
Arrays.asList() 方法接受一个数组或是逗号分隔的元素列表（使用可变参数），并将其转换为 List 对象。 Collections.addAll() 方法接受一个 Collection 对象，以及一个数组或是一个逗号分隔的列表，将其中元素添加到 Collection 中。下边的示例展示了这两个方法，以及更通用的 、所有 Collection 类型都包含的addAll() 方法：
// collections/AddingGroups.java
// Adding groups of elements to Collection objects
import java.util.*;
public class AddingGroups {
public static void main(String[] args) {
Collection<Integer> collection = new ArrayList<>(Arrays.asList(1, 2, 3, 4, 5));
Integer[] moreInts = {6, 7, 8, 9, 10};
collection.addAll(Arrays.asList(moreInts));
// Runs significantly faster, but you can't
// construct a Collection this way:
Collections.addAll(collection, 11, 12, 13, 14, 15);
Collections.addAll(collection, moreInts);
// Produces a list "backed by" an array:
List<Integer> list = Arrays.asList(16, 17, 18, 19, 20);
list.set(1, 99); // OK -- modify an element
// list.add(21); // Runtime error; the underlying
// array cannot be resized.
}
}
Collection 的构造器可以接受另一个 Collection，用它来将自身初始化。因此，可以使用 Arrays.asList() 来为这个构造器产生输入。但是， Collections.addAll() 运行得更快，而且很容易构建一个不包含元素的 Collection ，然后调用 Collections.addAll() ，因此这是首选方式。
Collection.addAll() 方法只能接受另一个 Collection 作为参数，因此它没有 Arrays.asList() 或 Collections.addAll() 灵活。这两个方法都使用可变参数列表。
也可以直接使用 Arrays.asList() 的输出作为一个 List ，但是这里的底层实现是数组，没法调整大小。如果尝试在这个 List 上调用 add() 或 remove()，由于这两个方法会尝试修改数组大小，所以会在运行时得到“Unsupported Operation（不支持的操作）”错误：
// collections/AsListInference.java
import java.util.*;
class Snow {
}
class Powder extends Snow {
}
class Light extends Powder {
}
class Heavy extends Powder {
}
class Crusty extends Snow {
}
class Slush extends Snow {
}
public class AsListInference {
public static void main(String[] args) {
List<Snow> snow1 = Arrays.asList(new Crusty(), new Slush(), new Powder());
//- snow1.add(new Heavy()); // Exception
List<Snow> snow2 = Arrays.asList(new Light(), new Heavy());
//- snow2.add(new Slush()); // Exception
List<Snow> snow3 = new ArrayList<>();
Collections.addAll(snow3,new Light(), new Heavy(), new Powder());
snow3.add(new Crusty());
// Hint with explicit type argument specification:
List<Snow> snow4 = Arrays.<Snow>asList(new Light(), new Heavy(), new Slush());
//- snow4.add(new Powder()); // Exception
}
}
在 snow4 中，注意 Arrays.asList() 中间的“暗示”（即 Arrays.asList() 生成的结果 List 类型的实际目标类型是什么。这称为_显式类型参数说明_（explicit type argument specification）。
集合的打印
必须使用 Arrays.toString() 来生成数组的可打印形式。但是打印集合无需任何帮助。下面是一个例子，这个例子中也介绍了基本的Java集合：
// collections/PrintingCollections.java
// Collections print themselves automatically
import java.util.*;
public class PrintingCollections {
static Collection fill(Collection<String> collection) {
collection.add("rat");
collection.add("cat");
collection.add("dog");
collection.add("dog");
return collection;
}
static Map fill(Map<String, String> map) {
map.put("rat", "Fuzzy");
map.put("cat", "Rags");
map.put("dog", "Bosco");
map.put("dog", "Spot");
return map;
}
public static void main(String[] args) {
System.out.println(fill(new ArrayList<>()));
System.out.println(fill(new LinkedList<>()));
System.out.println(fill(new HashSet<>()));
System.out.println(fill(new TreeSet<>()));
System.out.println(fill(new LinkedHashSet<>()));
System.out.println(fill(new HashMap<>()));
System.out.println(fill(new TreeMap<>()));
System.out.println(fill(new LinkedHashMap<>()));
}
}
这显示了Java集合库中的两个主要类型。它们的区别在于集合中的每个“槽”（slot）保存的元素个数。 Collection 类型在每个槽中只能保存一个元素。此类集合包括： List ，它以特定的顺序保存一组元素； Set ，其中元素不允许重复； Queue ，只能在集合一端插入对象，并从另一端移除对象（就本例而言，这只是查看序列的另一种方式，因此并没有显示它）。 Map 在每个槽中存放了两个元素，即_键_ (key)和与之关联的_值_ (value)。
默认的打印行为，使用集合提供的 toString() 方法即可生成可读性很好的结果。 Collection 打印出的内容用方括号括住，每个元素由逗号分隔。 Map 则由大括号括住，每个键和值用等号连接（键在左侧，值在右侧）。
第一个 fill() 方法适用于所有类型的 Collection ，这些类型都实现了 add() 方法以添加新元素。
ArrayList 和 LinkedList 都是 List 的类型，从输出中可以看出，它们都按插入顺序保存元素。两者之间的区别不仅在于执行某些类型的操作时的性能，而且 LinkedList 包含的操作多于 ArrayList 。本章后面将对这些内容进行更全面的探讨。
HashSet ， TreeSet 和 LinkedHashSet 是 Set 的类型。从输出中可以看到， Set 仅保存每个相同项中的一个，并且不同的 Set 实现存储元素的方式也不同。 HashSet 使用相当复杂的方法存储元素，现在只需要知道，这种技术是检索元素的最快方法，因此，存储顺序看上去没有什么意义（通常只关心某事物是否是 Set 的成员，而存储顺序并不重要）。如果存储顺序很重要，则可以使用 TreeSet ，它把对象按照比较规则来排序；还有 LinkedHashSet ，它把对象按照被添加的先后顺序来排序。
Map （也称为_关联数组_）使用_键_来查找对象，就像一个简单的数据库。所关联的对象称为_值_。 假设有一个 Map 将美国州名与它们的首府联系在一起，如果想要俄亥俄州（Ohio）的首府，可以用“Ohio”作为键来查找，几乎就像使用数组下标一样。正是由于这种行为，对于每个键， Map 只存储一次。
Map.put(key, value) 添加一个所想要添加的值并将它与一个键（用来查找值）相关联。 Map.get(key) 生成与该键相关联的值。上面的示例仅添加键值对，并没有执行查找。这将在稍后展示。
请注意，这里没有指定（或考虑） Map 的大小，因为它会自动调整大小。 此外， Map 还知道如何打印自己，它会显示相关联的键和值。
本例使用了 Map 的三种基本风格： HashMap ， TreeMap 和 LinkedHashMap 。
键和值保存在 HashMap 中的顺序不是插入顺序，因为 HashMap 实现使用了非常快速的算法来控制顺序。 TreeMap 把所有的键按照比较规则来排序， LinkedHashMap 在保持 HashMap 查找速度的同时按照键的插入顺序来排序。
列表List
List承诺将元素保存在特定的序列中。 List 接口在 Collection 的基础上添加了许多方法，允许在 List 的中间插入和删除元素。
有两种类型的 List ：
- 基本的 ArrayList ，擅长随机访问元素，但在 List 中间插入和删除元素时速度较慢。
- LinkedList ，它通过代价较低的在 List 中间进行的插入和删除操作，提供了优化的顺序访问。 LinkedList 对于随机访问来说相对较慢，但它具有比 ArrayList 更大的特征集。
下面的示例导入 typeinfo.pets ，超前使用了类型信息一章中的类库。这个类库包含了 Pet 类层次结构，以及用于随机生成 Pet 对象的一些工具类。此时不需要了解完整的详细信息，只需要知道两点：
- 有一个 Pet 类，以及 Pet 的各种子类型。
- 静态的
new PetCreator().list()方法返回一个填充了随机选取的 Pet 对象的 ArrayList：
ListFeatures.java
import java.util.*;
public class ListFeatures {
public static void main(String[] args) {
Random rand = new Random(47);
List<Pet> pets = new PetCreator().list(7);
System.out.println("1: " + pets);
Hamster h = new Hamster();
pets.add(h); // Automatically resizes
System.out.println("2: " + pets);
System.out.println("3: " + pets.contains(h));
pets.remove(h); // Remove by object
Pet p = pets.get(2);
System.out.println("4: " + p + " " + pets.indexOf(p));
Pet cymric = new Cymric();
System.out.println("5: " + pets.indexOf(cymric));
System.out.println("6: " + pets.remove(cymric));
// Must be the exact object:
System.out.println("7: " + pets.remove(p));
System.out.println("8: " + pets);
pets.add(3, new Mouse()); // Insert at an index
System.out.println("9: " + pets);
List<Pet> sub = pets.subList(1, 4);
System.out.println("subList: " + sub);
System.out.println("10: " + pets.containsAll(sub));
Collections.sort(sub); // In-place sort
System.out.println("sorted subList: " + sub);
// Order is not important in containsAll():
System.out.println("11: " + pets.containsAll(sub));
Collections.shuffle(sub, rand); // Mix it up
System.out.println("shuffled subList: " + sub);
System.out.println("12: " + pets.containsAll(sub));
List<Pet> copy = new ArrayList<>(pets);
sub = Arrays.asList(pets.get(1), pets.get(4));
System.out.println("sub: " + sub);
copy.retainAll(sub);
System.out.println("13: " + copy);
copy = new ArrayList<>(pets); // Get a fresh copy
copy.remove(2); // Remove by index
System.out.println("14: " + copy);
copy.removeAll(sub); // Only removes exact objects
System.out.println("15: " + copy);
copy.set(1, new Mouse()); // Replace an element
System.out.println("16: " + copy);
copy.addAll(2, sub); // Insert a list in the middle
System.out.println("17: " + copy);
System.out.println("18: " + pets.isEmpty());
pets.clear(); // Remove all elements
System.out.println("19: " + pets);
System.out.println("20: " + pets.isEmpty());
pets.addAll(new PetCreator().list(4));
System.out.println("21: " + pets);
Object[] o = pets.toArray();
System.out.println("22: " + o[3]);
Pet[] pa = pets.toArray(new Pet[0]);
System.out.println("23: " + pa[3].id());
}
}
其它相关类：
Cat.java
public class Cat extends Pet {
public Cat(String name) { super(name); }
public Cat() { super(); }
}
Creator.java
import java.lang.reflect.InvocationTargetException;
import java.util.*;
import java.util.function.Supplier;
import java.util.stream.Collectors;
import java.util.stream.Stream;
public abstract class Creator implements Supplier<Pet> {
private Random rand = new Random(47);
// The different types of Pet to create:
public abstract List<Class<? extends Pet>> types();
@Override
public Pet get() { // Create one random Pet
int n = rand.nextInt(types().size());
try {
return types().get(n)
.getConstructor().newInstance();
} catch (InstantiationException |
NoSuchMethodException |
InvocationTargetException |
IllegalAccessException e) {
throw new RuntimeException(e);
}
}
public Stream<Pet> stream() {
return Stream.generate(this);
}
public Pet[] array(int size) {
return stream().limit(size).toArray(Pet[]::new);
}
public List<Pet> list(int size) {
return stream().limit(size).collect(Collectors.toCollection(ArrayList::new));
}
}
Cymric.java
public class Cymric extends Manx {
public Cymric(String name) { super(name); }
public Cymric() { super(); }
}
Dog.java
public class Dog extends Pet {
public Dog(String name) { super(name); }
public Dog() { super(); }
}
EgyptianMau.java
public class EgyptianMau extends Cat {
public EgyptianMau(String name) { super(name); }
public EgyptianMau() { super(); }
}
Hamster.java
public class Hamster extends Rodent {
public Hamster(String name) { super(name); }
public Hamster() { super(); }
}
Individual.java
import java.util.Objects;
public class Individual implements Comparable<Individual> {
private static long counter = 0;
private final long id = counter++;
private String name;
public Individual(String name) {
this.name = name;
}
// 'name' is optional:
public Individual() {
}
@Override
public String toString() {
return getClass().getSimpleName() +
(name == null ? "" : " " + name);
}
public long id() {
return id;
}
@Override
public boolean equals(Object o) {
return o instanceof Individual &&
Objects.equals(id, ((Individual) o).id);
}
@Override
public int hashCode() {
return Objects.hash(name, id);
}
@Override
public int compareTo(Individual arg) {
// Compare by class name first:
String first = getClass().getSimpleName();
String argFirst = arg.getClass().getSimpleName();
int firstCompare = first.compareTo(argFirst);
if (firstCompare != 0) {
return firstCompare;
}
if (name != null && arg.name != null) {
int secondCompare = name.compareTo(arg.name);
if (secondCompare != 0) {
return secondCompare;
}
}
return (arg.id < id ? -1 : (arg.id == id ? 0 : 1));
}
}
Manx.java
public class Manx extends Cat {
public Manx(String name) { super(name); }
public Manx() { super(); }
}
Mouse.java
public class Mouse extends Rodent {
public Mouse(String name) { super(name); }
public Mouse() { super(); }
}
Mutt.java
public class Mutt extends Dog {
public Mutt(String name) { super(name); }
public Mutt() { super(); }
}
Pet.java
public class Pet extends Individual {
public Pet(String name) {
super(name);
}
public Pet() {
super();
}
}
PetCreator.java
import java.util.*;
public class PetCreator extends Creator {
// No try block needed.
public static final
List<Class<? extends Pet>> ALL_TYPES = Collections.unmodifiableList(Arrays.asList(
Pet.class, Dog.class, Cat.class, Rodent.class,
Mutt.class, Pug.class, EgyptianMau.class,
Manx.class, Cymric.class, Rat.class,
Mouse.class, Hamster.class));
// Types for random creation:
private static final
List<Class<? extends Pet>> TYPES =
ALL_TYPES.subList(
ALL_TYPES.indexOf(Mutt.class),
ALL_TYPES.size());
@Override
public List<Class<? extends Pet>> types() {
return TYPES;
}
public static void main(String[] args) {
System.out.println(TYPES);
List<Pet> pets = new PetCreator().list(7);
System.out.println(pets);
}
}
/* Output:
[class reflection.pets.Mutt, class reflection.pets.Pug,
class reflection.pets.EgyptianMau, class
reflection.pets.Manx, class reflection.pets.Cymric, class
reflection.pets.Rat, class reflection.pets.Mouse, class
reflection.pets.Hamster]
[Rat, Manx, Cymric, Mutt, Pug, Cymric, Pug]
*/
Pug.java
public class Pug extends Dog {
public Pug(String name) { super(name); }
public Pug() { super(); }
}
Rat.java
public class Rat extends Rodent {
public Rat(String name) { super(name); }
public Rat() { super(); }
}
Rodent.java
public class Rodent extends Pet {
public Rodent(String name) { super(name); }
public Rodent() { super(); }
}
打印内容如下：
打印行都编了号，因此可从输出追溯到源代码。 第 1 行输出展示了原始的由 Pet 组成的 List 。 与数组不同， List 可以在创建后添加或删除元素，并自行调整大小。这正是它的重要价值：一种可修改的序列。在第 2 行输出中可以看到添加一个 Hamster 的结果，该对象将被追加到列表的末尾。
可以使用 contains() 方法确定对象是否在列表中。如果要删除一个对象，可以将该对象的引用传递给 remove() 方法。同样，如果有一个对象的引用，可以使用 indexOf() 在 List 中找到该对象所在位置的下标号，如第 4 行输出所示中所示。
当确定元素是否是属于某个 List ，寻找某个元素的索引，以及通过引用从 List 中删除元素时，都会用到 equals() 方法（根类 Object 的一个方法）。每个 Pet 被定义为一个唯一的对象，所以即使列表中已经有两个 Cymrics ，如果再创建一个新的 Cymric 对象并将其传递给 indexOf() 方法，结果仍为 -1 （表示未找到），并且尝试调用 remove() 方法来删除这个对象将返回 false 。对于其他类， equals() 的定义可能有所不同。例如，如果两个 String 的内容相同，则这两个 String 相等。因此，为了防止出现意外，请务必注意 List 行为会根据 equals() 行为而发生变化。
第 7、8 行输出展示了删除与 List 中的对象完全匹配的对象是成功的。
可以在 List 的中间插入一个元素，就像在第 9 行输出和它之前的代码那样。但这会带来一个问题：对于 LinkedList ，在列表中间插入和删除都是廉价操作（在本例中，除了对列表中间进行的真正的随机访问），但对于 ArrayList ，这可是代价高昂的操作。这是否意味着永远不应该在 ArrayList 的中间插入元素，并最好是转换为 LinkedList ？不，它只是意味着你应该意识到这个问题，如果你开始在某个 ArrayList 中间执行很多插入操作，并且程序开始变慢，那么你应该看看你的 List 实现有可能就是罪魁祸首（发现此类瓶颈的最佳方式是使用分析器 profiler）。优化是一个很棘手的问题，最好的策略就是置之不顾，直到发现必须要去担心它了（尽管去理解这些问题总是一个很好的主意）。
subList() 方法可以轻松地从更大的列表中创建切片，当将切片结果传递给原来这个较大的列表的 containsAll() 方法时，很自然地会得到 true。请注意，顺序并不重要，在第 11、12 行输出中可以看到，在 sub 上调用直观命名的 Collections.sort() 和 Collections.shuffle() 方法，不会影响 containsAll() 的结果。 subList() 所产生的列表的幕后支持就是原始列表。因此，对所返回列表的更改都将会反映在原始列表中，反之亦然。
retainAll() 方法实际上是一个“集合交集”操作，在本例中，它保留了同时在 copy 和 sub 中的所有元素。请再次注意，所产生的结果行为依赖于 equals() 方法。
第 14 行输出展示了使用索引号来删除元素的结果，与通过对象引用来删除元素相比，它显得更加直观，因为在使用索引时，不必担心 equals() 的行为。
removeAll() 方法也是基于 equals() 方法运行的。 顾名思义，它会从 List 中删除在参数 List 中的所有元素。
set() 方法的命名显得很不合时宜，因为它与 Set 类存在潜在的冲突。在这里使用“replace”可能更适合，因为它的功能是用第二个参数替换索引处的元素（第一个参数）。
第 17 行输出表明，对于 List ，有一个重载的 addAll() 方法可以将新列表插入到原始列表的中间位置，而不是仅能用 Collection 的 addAll() 方法将其追加到列表的末尾。
第 18 - 20 行输出展示了 isEmpty() 和 clear() 方法的效果。
第 22、23 行输出展示了如何使用 toArray() 方法将任意的 Collection 转换为数组。这是一个重载方法，其无参版本返回一个 Object 数组，但是如果将目标类型的数组传递给这个重载版本，那么它会生成一个指定类型的数组（假设它通过了类型检查）。如果参数数组太小而无法容纳 List 中的所有元素（就像本例一样），则 toArray() 会创建一个具有合适尺寸的新数组。 Pet 对象有一个 id() 方法，可以在所产生的数组中的对象上调用这个方法。