Java API 之集合框架详解
集合框架（Collection Framework）是Java中一个非常重要和常用的部分，它提供了一系列用于存储和处理对象集合的接口和类。集合框架的主要目的是提供一种统一的方式来处理对象的集合，简化编程工作，提高代码的可读性和可维护性。
核心接口
- Collection：最基本的集合接口，它是一个序列，可以包含重复的元素。
- List：继承自Collection，表示一个有序的集合，可以包含重复的元素，支持元素的插入、删除、访问和搜索。
- Set：继承自Collection，表示一个不允许重复的集合，不保证集合的顺序，主要用于确保集合中元素的唯一性。
- Map：与Collection不同，Map存储的是键值对（key-value pairs），每个键最多只能映射到一个值。
核心实现类
- ArrayList：List接口的实现，基于动态数组实现，支持快速随机访问。
- LinkedList：List接口的实现，基于双向链表实现，支持快速的插入和删除操作。
- HashSet：Set接口的实现，基于哈希表实现，不保证元素顺序，提供快速查找。
- LinkedHashSet：继承自HashSet，内部使用链表维护元素的插入顺序。
- TreeSet：Set接口的实现，基于红黑树实现，可以按照自然顺序或自定义顺序对元素进行排序。
- HashMap：Map接口的实现，基于哈希表实现，不保证映射的顺序。
- LinkedHashMap：继承自HashMap，内部使用链表维护键值对的插入顺序。
- TreeMap：Map接口的实现，基于红黑树实现，可以按照自然顺序或自定义顺序对键进行排序。
迭代器（Iterator）
迭代器是集合框架中用于遍历集合元素的对象。它提供了一种统一的方法来遍历集合中的元素，而不需要关心集合的具体实现。
1. List 接口
`List` 接口是一个有序集合，它允许存储重复的元素，并且能够通过索引来访问元素。`List` 接口的常见实现有 `ArrayList` 和 `LinkedList`。
1.1 ArrayList
`ArrayList` 是 `List` 接口的一个实现，基于动态数组。它支持高效的随机访问，但是在插入和删除操作时效率较低。
特性：
- 支持快速随机访问。
- 插入和删除操作可能比较慢，特别是在数组中间位置操作时。
- 允许存储重复的元素。
- 保持元素的插入顺序。
常用方法：
- `add(E e)`：将元素添加到列表的末尾。
- `add(int index, E element)`：在指定位置插入元素。
- `get(int index)`：获取指定位置的元素。
- `remove(int index)`：移除指定位置的元素。
- `size()`：返回列表中的元素个数。
- `contains(Object o)`：检查列表是否包含指定的元素。
- `clear()`：清空列表。
示例代码：
import java.util.ArrayList;
public class ArrayListExample {
public static void main(String[] args) {
// 创建 ArrayList 对象
ArrayList list = new ArrayList<>();
// 添加元素
list.add("Java");
list.add("Python");
list.add("C++");
// 在指定位置插入元素
list.add(1, "JavaScript");
// 获取并打印元素
System.out.println("元素在索引 1 的位置: " + list.get(1));
// 移除元素
list.remove(2);
// 打印所有元素
System.out.println("列表内容:");
for (String language : list) {
System.out.println(language);
}
// 清空列表
list.clear();
System.out.println("列表是否为空: " + list.isEmpty());
}
} 1.2 LinkedList
`LinkedList` 是 `List` 接口的另一个实现，基于双向链表。它在插入和删除操作时更高效，但是随机访问的效率较低。
特性：
- 插入和删除操作比较高效。
- 随机访问性能较差。
- 允许存储重复的元素。
- 保持元素的插入顺序。
常用方法：
- `add(E e)`：将元素添加到列表的末尾。
- `add(int index, E element)`：在指定位置插入元素。
- `get(int index)`：获取指定位置的元素。
- `remove(int index)`：移除指定位置的元素。
- `size()`：返回列表中的元素个数。
- `contains(Object o)`：检查列表是否包含指定的元素。
- `clear()`：清空列表。
- `addFirst(E e)`：在列表的开头添加元素。
- `addLast(E e)`：在列表的末尾添加元素。
- `removeFirst()`：移除并返回列表的第一个元素。
- `removeLast()`：移除并返回列表的最后一个元素。
示例代码：
import java.util.LinkedList;
public class LinkedListExample {
public static void main(String[] args) {
// 创建 LinkedList 对象
LinkedList list = new LinkedList<>();
// 添加元素
list.add("Java");
list.add("Python");
list.add("C++");
// 在指定位置插入元素
list.add(1, "JavaScript");
// 在开头添加元素
list.addFirst("HTML");
// 在末尾添加元素
list.addLast("CSS");
// 获取并打印元素
System.out.println("元素在索引 1 的位置: " + list.get(1));
// 移除元素
list.remove(2);
// 打印所有元素
System.out.println("列表内容:");
for (String language : list) {
System.out.println(language);
}
// 移除第一个和最后一个元素
System.out.println("移除的第一个元素: " + list.removeFirst());
System.out.println("移除的最后一个元素: " + list.removeLast());
// 清空列表
list.clear();
System.out.println("列表是否为空: " + list.isEmpty());
}
} 2. Set 接口
`Set` 接口是一个不允许存储重复元素的集合。常见的实现包括 `HashSet` 和 `TreeSet`。
2.1 HashSet
`HashSet` 是基于哈希表实现的 `Set` 接口的实现，它不保证集合的顺序。
特性：
- 不允许重复的元素。
- 不保证元素的顺序。
- 适合用于快速查找元素。
常用方法：
- `add(E e)`：添加元素。
- `remove(Object o)`：移除元素。
- `contains(Object o)`：检查集合是否包含指定的元素。
- `size()`：返回集合中的元素个数。
- `clear()`：清空集合。
示例代码：
import java.util.HashSet;
public class HashSetExample {
public static void main(String[] args) {
// 创建 HashSet 对象
HashSet set = new HashSet<>();
// 添加元素
set.add("Java");
set.add("Python");
set.add("C++");
set.add("Java"); // 重复的元素将被忽略
// 检查集合中是否包含指定元素
System.out.println("集合是否包含 'Python': " + set.contains("Python"));
// 打印所有元素
System.out.println("集合内容:");
for (String language : set) {
System.out.println(language);
}
// 移除元素
set.remove("C++");
// 打印所有元素
System.out.println("更新后的集合内容:");
for (String language : set) {
System.out.println(language);
}
// 清空集合
set.clear();
System.out.println("集合是否为空: " + set.isEmpty());
}
} 2.2 TreeSet
`TreeSet` 是基于红黑树实现的 `Set` 接口的实现，它会按照元素的自然顺序进行排序。
**特性：**
- 不允许重复的元素。
- 元素按自然顺序排序。
- 适合需要有序集合的场景。
**常用方法：**
- `add(E e)`：添加元素。
- `remove(Object o)`：移除元素。
- `contains(Object o)`：检查集合是否包含指定的元素。
- `size()`：返回集合中的元素个数。
- `clear()`：清空集合。
示例代码：
import java.util.TreeSet;
public class TreeSetExample {
public static void main(String[] args) {
// 创建 TreeSet 对象
TreeSet set = new TreeSet<>();
// 添加元素
set.add("Java");
set.add("Python");
set.add("C++");
set.add("JavaScript");
// 打印所有元素（按自然顺序）
System.out.println("集合内容（按自然顺序）:");
for (String language : set) {
System.out.println(language);
}
// 检查集合中是否包含指定元素
System.out.println("集合是否包含 'Python': " + set.contains("Python"));
// 移除元素
set.remove("C++");
// 打印所有元素
System.out.println("更新后的集合内容（按自然顺序）:");
for (String language : set) {
System.out.println(language);
}
// 清空集合
set.clear();
System.out.println("集合是否为空: " + set.isEmpty());
}
} 3. Map 接口
Map 接口用于存储键值对，键是唯一的。常见的实现包括 `HashMap` 和 `TreeMap`。
3.1 HashMap
`HashMap` 是基于哈希表实现的 `Map` 接口的实现。它不保证键值对的顺序。
特性：
- 键值对的存储没有顺序。
- 键是唯一的，但值可以重复。
- 高效的插入、删除和查找操作。
常用方法：
- `put(K key, V value)`：将键值对添加到映射中。
- `get(Object key)`：获取指定键的值。
- `remove(Object key)`：移除指定键的键值对。
- `containsKey(Object key)`：检查映射中是否包含指定的键。
- `size()`：返回映射中的键值对个数。
- `clear()`：清空映射。
示例代码：
import java.util.HashMap;
public class HashMapExample {
public static void main(String[] args) {
// 创建 HashMap 对象
HashMap map = new HashMap<>();
// 添加键值对
map.put("Java", "Programming Language");
map.put("Python", "Scripting Language");
map.put("C++", "Programming Language");
// 获取并打印值
System.out.println("Java 的定义: " + map.get("Java"));
// 打印所有键值对
System.out.println("所有键值对:");
for (String key : map.keySet()) {
System.out.println(key + ": " + map.get(key));
}
// 移除键值对
map.remove("C++");
// 打印更新后的键值对
System.out.println("更新后的所有键值对:");
for (String key : map.keySet()) {
System.out.println(key + ": " + map.get(key));
}
// 清空映射
map.clear();
System.out.println("映射是否为空: " + map.isEmpty());
}
} 3.2 TreeMap
`TreeMap` 是基于红黑树实现的 `Map` 接口的实现，键按照自然顺序或指定的比较器排序。
特性：
- 键值对的存储是有序的。
- 键是唯一的，但值可以重复。
- 适合需要有序映射的场景。
常用方法：
- `put(K key, V value)`：将键值对添加到映射中。
- `get(Object key)`：获取指定键的值。
- `remove(Object key)`：移除指定键的键值对。
- `containsKey(Object key)`：检查映射中是否包含指定的键。
- `size()`：返回映射中的键值对个数。
- `clear()`：清空映射。
示例代码：
import java.util.TreeMap;
public class TreeMapExample {
public static void main(String[] args) {
// 创建 TreeMap 对象
TreeMap map = new TreeMap<>();
// 添加键值对
map.put("Java", "Programming Language");
map.put("Python", "Scripting Language");
map.put("C++", "Programming Language");
// 获取并打印值
System.out.println("Java 的定义: " + map.get("Java"));
// 打印所有键值对（按自然顺序）
System.out.println("所有键值对（按自然顺序）:");
for (String key : map.keySet()) {
System.out.println(key + ": " + map.get(key));
}
// 移除键值对
map.remove("C++");
// 打印更新后的键值对
System.out.println("更新后的所有键值对（按自然顺序）:");
for (String key : map.keySet()) {
System.out.println(key + ": " + map.get(key));
}
// 清空映射
map.clear();
System.out.println("映射是否为空: " + map.isEmpty());
}
} 4.遍历方式
在Java集合框架中，遍历集合是一种常见的操作，用于访问集合中的每个元素。以下是List、Set和Map接口及其实现类的详细遍历方式：
List接口
1). ArrayList
ArrayList 基于动态数组实现，支持快速随机访问。
-
使用for循环：
Listlist = new ArrayList<>(); list.add("Apple"); list.add("Banana"); list.add("Cherry"); for (int i = 0; i < list.size(); i++) { System.out.println(list.get(i)); } -
使用迭代器（Iterator）：
Iteratoriterator = list.iterator(); while (iterator.hasNext()) { System.out.println(iterator.next()); } -
使用增强for循环（For-Each Loop）：
for (String item : list) { System.out.println(item); } -
使用Java 8 Stream API（后面会讲到Stream API 哦！）：
list.stream().forEach(System.out::println);
2). LinkedList
LinkedList 基于双向链表实现，支持高效的插入和删除操作。
遍历方式与ArrayList相同，因为LinkedList实现了List接口。
Set接口
1). HashSet
HashSet 不允许重复元素，基于哈希表实现。
-
使用迭代器（Iterator）：
Setset = new HashSet<>(); set.add("Apple"); set.add("Banana"); set.add("Cherry"); Iterator iterator = set.iterator(); while (iterator.hasNext()) { System.out.println(iterator.next()); } -
使用增强for循环（For-Each Loop）：
for (String item : set) { System.out.println(item); } -
使用Java 8 Stream API：
set.stream().forEach(System.out::println);
2). TreeSet
TreeSet 元素按自然顺序排序。
遍历方式与HashSet相同，因为TreeSet实现了Set接口。
Map接口
1). HashMap
HashMap 键值对映射，不保证顺序。
-
使用键集遍历：
Map -
使用值集遍历：
for (String value : map.values()) { System.out.println(value); } -
使用条目集遍历：
for (Map.Entry -
使用Java 8 Stream API：
map.forEach((key, value) -> System.out.println(key + " -> " + value));
2). TreeMap
TreeMap 按键的自然顺序排序。
遍历方式与HashMap相同，因为TreeMap实现了Map接口。
各种遍历方式的异同：迭代器提供了一种安全的方式来遍历集合，即使在遍历时修改集合也不会抛出ConcurrentModificationException。增强for循环提供了一种简洁的方式来遍历集合，而Stream API则提供了一种更高级的方式来处理集合，支持并行处理和复杂的操作。每种遍历方式都有其适用场景，选择合适的遍历方式可以提高代码的可读性和性能。
结语：以上就是 `List`、`Set` 和 `Map` 接口的详细解释及其常见实现的使用示例和遍历方式。希望这些信息对各位看官的学习有所帮助，集合框架也是一个必须掌握的知识点，一定要熟练掌握，感谢各位看官的观看，下期见哦，谢谢！