Java 之路 (十一) -- 持有对象（Collection、List、Set、Queue、Map、Iterator、foreach）

本章将简单介绍一下常用的集合类的特点，同时并不会深入源码分析原理，本文目的仅仅在于对 Java 集合类有一个整体认识

关于 API，本文不涉及过多，建议直接查看 Java 官方文档

https://docs.oracle.com/javase/9/docs/api/overview-summary.html

---

1. 容器概述

1.1 引入原因

Java 中，数组用来保存一组对象，但是数组具有固定的尺寸。于是为了解决数组长度固定，无法应对对象数量未知的情况，引入容器/集合类。

容器用途就是保存对象。

1.2 容器层级

容器有两大山脉：Collection 和 Map，其层次关系大致如下。

先来个基础的：

img

https://www.cnblogs.com/LipeiNet/p/5888513.html

再来个复杂一点的：

img

图摘自 http://www.cnblogs.com/leeplogs/p/5891861.html

其中：

• Collection 接口是集合类的根接口，本身没有实现类。
• Map 是容器的另一个根接口，与 Collection 相互独立
• Iterator 是所有容器都实现的接口，用于遍历容器中元素。
• 另外 Collections 和 Arrays 是 Object 的直接子类，其中包含了一系列关于 容器 和 数组 的静态方法

1.3 类型安全

通过 泛型 指定参数类型，即指定这个容器实例可以保存的类型。通过使用泛型，可以在编译期防止将错误类型的对象放置到容器中。

保证 类型安全 仅仅是 Java 泛型的其中一个作用。后续我们会学习更多关于 泛型的知识（剧透一下，很复杂）

举个例子：

List list = new ArrayList();

//先不用管 List 和 ArrayList 是啥，就先当作是一个集合就好
//通过指定泛型为 String，那么这个集合就是用来存放 String 类型的，放入其他类型的东西都会出错。

2. Collection

Collection 是一个接口，它下面的 List，Set，Queue 同样也都是接口。

一个独立元素的序列，这些元素都服从一条或多条规则。其中 List 必须按照插入的顺序保存元素；Set 不能有重复元素；Queue 按照排队规则来确定对象的产生顺序（通常与插入顺序相同）

2.1 List

List 是一个接口，它承诺可以将元素维护在特定的序列中。List 接口在 Collection 的基础上添加大量的方法，使得可以在 List 中间插入和移除元素。

• 有序
• 元素可重复

下面主要介绍 两种 List ：ArrayList 和 LinkedList。

2.1.1 ArrayList

优点在于随机访问元素快，但是在中间插入和移除比较慢

原因是 ArrayList 底层是用数组实现的，这也是为什么读取时和数组效率相同，时间复杂度都是1.

2.1.2 LinkedList

优点是善于在中间插入和移除元素，提供了优化的顺序访问，相反缺点是随机访问较慢

原因是底层是使用链式存储

同时，LinkedList 可以实现比 ArrayList 更多的功能特性：LinkedList 支持栈、队列和双端队列。

2.1.3 Stack

Stack（栈）通常指 “后进先出”（LIFO）的容器，最后一个压入栈的元素，第一个弹出栈。

可以想象为弹簧，最先放上弹簧的被放在最下面，后放上去的在上面，每次弹出来一个时，上面的（后放的）先被弹出。

Stack 是通过 LinkedList 实现的。

Stack 继承自 Vector，而 Vector 已被弃用。

2.2 Set

Set 也是一个集合，但是它不保存重复的元素。

Set 具有和 Collection 完全一样的接口，因此没有任何额外的功能，实际上 Set 就是 Collection，只不过行为不同。

继承与多态思想的应用：表现不同的行为

下面简单介绍两个实现类：HashSet 和 TreeSet

2.2.1 HashSet

• 查询速度块。HashSet 使用了散列，散列的价值在于速度 -- 散列使得查询更加快速

• 存储无序

  HashSet 底层使用散列函数

2.2.2 TreeSet

• 存储有序

  TreeSet 将元素存储在红黑树中，因此存储结果有序。

2.2.3 LinkedHashSet

• 存储有序

  通过链表保存添加的顺序

2.3 Queue

Queue （队列）是典型的 先进先出 的容器，即从一端放入事物，从另一端取出，且元素放入容器的顺序和取出的顺序是相同的。

可以想象一个传送带，先放上传送带的物品会首先到达。

同时 Queue 中允许重复元素。

LinkedList 实现了 Queue 接口，因此 LinkedList 可以用作 Queue 的一种实现（将LinkedList 可以向上转型为 Queue）。

相关方法介绍：

方法	作用	说明
add、offer	将元素插入队尾	队列容量已满时 add 会抛出异常 offer会返回 false
element、peek	返回对头元素（不删除）	队列为空时 emelent 会抛出异常 peek会返回 null
remove、poll	返回对头元素，并将该元素从队列移除	队列为空时 remove 会抛出异常 poll 会返回 null

2.3.1 PriorityQueue

• 先入先出描述的是下一个元素应该是等待时间最长的元素

• PriorityQueue（优先级队列）描述的是下一个元素应该是优先级最高的元素。

当我们在 PriorityQueue 上调用 offer() 插入元素的时候，这个元素会在队列中自动被排序，默认情况是自然排序。当然我们可以通过自定义 Comparator 来修改这个顺序。

PriorityQueue 保证我们调用 peek、poll 等方法时，返回的是队列中优先级最高的元素。

---

3. Map

Map 就是一组成对的 “键值对” 对象，允许使用键来查找值。Map 可以将对象映射到其他对象上，在实际开发中使用非常广。

主要方法介绍：

方法	用途
put	添加键值对元素
get	返回与键对应的值
containsKey	查询是否包含某个键
containsValue	查询是否包含某个值
keySet	返回键的 set
entrySet	返回键值对的 set
values	返回值的 collection

3.1 HashMap

• 查询速度很快

• 存储无序

  原因在于，底层使用了 散列函数

• 键可以是 null，键值不可重复（重复会覆盖旧的）

3.2 TreeMap

• 按照比较结果的升序保存键

  红黑树存储

3.3 LinkedHashMap

• 按照插入顺序保存键

• 保留了 HashMap 的查询速度

  底层使用了散列函数 ，同时用一个链表保存插入顺序。

---

4. 迭代器

4.1 概念

Java 中的迭代器（Iterator）：

• 是一个轻量级对象：创建代价小
• 工作是遍历并选择序列中的对象，不关注容器中元素的数量
• 只能单向移动

4.2 用处：

• 使用方法 iterator() 要求容器返回一个 Iterator，此时 Iterator 将准备好返回第一个元素
• 使用 next() 获得序列下一个元素
• 使用 hasNext() 检查序列中是否还有元素
• 使用 remove() 将迭代器最近返回的元素删除

4.3 ListIterator

ListIterator 是 Iterator 的子类型，只能用于各种 List 类的访问。

ListIterator 可以双向移动，它可以产生相对于迭代器在列表中指向的当前位置的前一个（previous()方法）和后一个元素的索引（next() 方法）。

4.4 Iterator 与 foreach

foreach 除了可以作用于数组，还可以应用于所有的 Collection 对象。这是因为 Collection 继承了 Iterable 的接口。该接口包含一个能够产生 iterator 的 iterator() 对象，并且 Iterable 接口被 foreach 用来在序列中移动。

public class IterableClass implements Iterable {
    protected String[] words=("Hello Java").split(" ");
    
    public Iterator iterator(){
        return new Iterator(){
            private int index=0;
            public boolean hasNext() {
                return index

---

5. Collections 和 Arrays

Collections 和 Arrays 都是 Object 的直接子类，里面封装了一系列关于集合和数组的静态方法。

部分方法如下：

• Collections.addAll()：用于将一些列元素加入到 Collection

  public static boolean addAll(Collection c, T... elements)

• Arrays.asList()：将数组（可变参数列表）写入到一个列表，并将该列表返回

  public static List asList(T... a)

  底层表示为数组，因此不能修改尺寸。如果调用add() 或 delete()，有可能改变数组尺寸，因此会报错。

• Arrays.toString()：产生数组的可打印表示。

---

总结

Java 提供大量持有对象的方式：

1. 数组是将数字和对象联系起来，它保存明确的对象，查询对象时候不需要对查询结果进行转换，它可以是多维的，可以保存基本类型的数据，但是数组一旦生成，其容量不能改变。所以数组是不可以直接删除和添加元素。
2. Collection 保存单一的元素，而 Map 保存相关联的值键对，有了 Java 泛型，可以指定容器存放对象类型，不会将错误类型的对象放在容器中，取元素时候也不需要转型。而且 Collection 和 Map 都可以自动调整其尺寸。容器不可以持有基本类型。
3. 像数组一样，List 也建立数字索引和对象的关联，因此，数组和 List 都是排好序的容器，List 可以自动扩容
4. 如果需要大量的随机访问就要使用 ArrayList，如果要经常从中间插入和删除就要使用 LinkedList。
5. 各种 Queue 和 Stack 由 LinkedList 支持
6. Map 是一种将对象（而非数字）与对象相关联的设计。HashMap 用于快速访问，TreeMap 保持键始终处于排序状态，所以不如 HashMap 快，而 LinkedHashMap 保持元素插入的顺序，但是也通过散列提供了快速访问的能力
7. Set 不接受重复的元素，HashSet 提供最快的访问能力，TreeSet 保持元素排序状态，LinkedHashSet 以插入顺序保存元素。
8. 不应使用过时的 Vector、HashTable

回顾一下开篇的简图：

不包含抽象类和遗留构件

可以发现其实只有四种容器 -- List、Set、Queue、Map。常用的用红色标出，绿色标识接口，其他标识普通的类。

使用时需要注意容器类之间方法的独立性：有些相同，而有些相差很远。

上述即为本章的全部，共勉。