深入了解Java之二(集合方面)

1.Java集合类框架的基本接口有哪些?

集合类接口指定了一组叫做元素的对象。集合类接口的每一种具体的实现类都可以选择以它自己的方式对元素进行保存和排序。有的集合类允许重复的键,有些不允许。
Java集合类提供了一套设计良好的支持对一组对象进行操作的接口和类。Java集合类里面最基本的接口有:
Collection:代表一组对象,每一个对象都是它的子元素。
Set:不包含重复元素的Collection。
List:有顺序的collection,并且可以包含重复元素。
Map:可以把键(key)映射到值(value)的对象,键不能重复。
深入了解Java之二(集合方面)_第1张图片
Java集合框架的基本接口/类层次结构:

java.util.Collection [I]
+–java.util.List [I]
+–java.util.ArrayList [C]
+–java.util.LinkedList [C]
+–java.util.Vector [C]
+–java.util.Stack [C]
+–java.util.Set [I]
+–java.util.HashSet [C]
+–java.util.SortedSet [I]
+–java.util.TreeSet [C]

java.util.Map [I]
+–java.util.SortedMap [I]
+–java.util.TreeMap [C]
+–java.util.Hashtable [C]
+–java.util.HashMap [C]
+–java.util.LinkedHashMap [C]
+–java.util.WeakHashMap [C]

[I]:接口
[C]:类
依据图做如下解释:
1.Collection接口
Collection是最基本的集合接口,一个Collection代表一组Object的集合,这些Object被称作Collection的元素。
所有实现Collection接口的类都必须提供两个标准的构造函数:无参数的构造函数用于创建一个空的Collection,有一个Collection参数的构造函数用于创建一个新的Collection,这 个新的Collection与传入的Collection有相同的元素。后一个构造函数允许用户复制一个Collection。
如何遍历Collection中的每一个元素?不论Collection的实际类型如何,它都支持一个iterator()的方法,该方法返回一个迭代子,使用该迭代子即可逐一访问Collection中每一个元素。典型的用法如下:
Iterator it = collection.iterator(); // 获得一个迭代子
while(it.hasNext()) {
  Object obj = it.next(); // 得到下一个元素
}
根据用途的不同,Collection又划分为List与Set。
1.1 List接口
List继承自Collection接口。List是有序的Collection,使用此接口能够精确的控制每个元素插入的位置。用户能够使用索引(元素在List中的位置,类似于数组下标)来访问List中的元素,这类似于Java的数组。
跟Set集合不同的是,List允许有重复元素。对于满足e1.equals(e2)条件的e1与e2对象元素,可以同时存在于List集合中。当然,也有List的实现类不允许重复元素的存在。
除了具有Collection接口必备的iterator()方法外,List还提供一个listIterator()方法,返回一个 ListIterator接口,和标准的Iterator接口相比,ListIterator多了一些add()之类的方法,允许添加,删除,设定元素, 还能向前或向后遍历。
实现List接口的常用类有LinkedList,ArrayList,Vector和Stack。
1.2 Set接口
Set继承自Collection接口。Set是一种不能包含有重复元素的集合,即对于满足e1.equals(e2)条件的e1与e2对象元素,不能同时存在于同一个Set集合里,换句话说,Set集合里任意两个元素e1和e2都满足e1.equals(e2)==false条件,Set最多有一个null元素。
因为Set的这个制约,在使用Set集合的时候,应该注意:
1,为Set集合里的元素的实现类实现一个有效的equals(Object)方法。
2,对Set的构造函数,传入的Collection参数不能包含重复的元素。

请注意:必须小心操作可变对象(Mutable Object)。如果一个Set中的可变元素改变了自身状态导致Object.equals(Object)=true将导致一些问题。

1.2.1 HashSet类
此类实现 Set 接口,由哈希表(实际上是一个 HashMap 实例)支持。它不保证集合的迭代顺序;特别是它不保证该顺序恒久不变。此类允许使用 null 元素。
HashSet不是同步的,需要用以下语句来进行S同步转换:
Set s = Collections.synchronizedSet(new HashSet(…));
2. Map接口
Map没有继承Collection接口。也就是说Map和Collection是2种不同的集合Collection可以看作是(value)的集合,而Map可以看作是(key,value)的集合
Map接口由Map的内容提供3种类型的集合视图,一组key集合,一组value集合,或者一组key-value映射关系的集合。
3.对集合操作的工具类
Java提供了java.util.Collections,以及java.util.Arrays类简化对集合的操作
java.util.Collections主要提供一些static方法用来操作或创建Collection,Map等集合。
java.util.Arrays主要提供static方法对数组进行操作。
4.注意:
1、Collection没有get()方法来取得某个元素。只能通过iterator()遍历元素。
2、Set和Collection拥有一模一样的接口。
3、List,可以通过get()方法来一次取出一个元素。使用数字来选择一堆对象中的一个,get(0)…。(add/get)
4、一般使用ArrayList。用LinkedList构造堆栈stack、队列queue。
5、Map用 put(k,v) / get(k),还可以使用containsKey()/containsValue()来检查其中是否含有某个key/value。
HashMap会利用对象的hashCode来快速找到key。

6、Map中元素,可以将key序列、value序列单独抽取出来。
使用keySet()抽取key序列,将map中的所有keys生成一个Set。
使用values()抽取value序列,将map中的所有values生成一个Collection。
为什么一个生成Set,一个生成Collection?那是因为,key总是独一无二的,value允许重复。

2.为什么集合类没有实现Cloneable和Serializable接口?

为了理解java的clone,有必要先温习以下的知识。
java的类型,java的类型分为两大类,一类为primitive,如int,另一类为引用类型,如String,Object等等。
java引用类型的存储,java的引用类型都是存储在堆上的。
Java代码
public class B {
int a;
String b;

public B(int a, String b) {
    super();
    this.a = a;
    this.b = b;
}

}
对这样一个引用类型的实例,我们可以推测,在堆上它的内存存储形式(除去指向class的引用,锁的管理等等内务事务所占内存),应该有一个int值表示a,以及一个引用,该引用指向b在堆上的存储空间。
java为什么如此实现clone呢?
也许有以下考虑。
1 效率和简单性,简单的copy一个对象在堆上的的内存比遍历一个对象网然后内存深copy明显效率高并且简单。
2 不给别的类强加意义。如果A实现了Cloneable,同时有一个引用指向B,如果直接复制内存进行深copy的话,意味着B在意义上也是支持Clone的,但是这个是在使用B的A中做的,B甚至都不知道。破坏了B原有的接口。
3 有可能破坏语义。如果A实现了Cloneable,同时有一个引用指向B,该B实现为单例模式,如果直接复制内存进行深copy的话,破坏了B的单例模式。
4 方便且更灵活,如果A引用一个不可变对象,则内存deep copy是一种浪费。Shadow copy给了程序员更好的灵活性。

如何clone,clone三部曲。
1 声明实现Cloneable接口。
2 调用super.clone拿到一个对象,如果父类的clone实现没有问题的话,在该对象的内存存储中,所有父类定义的field都已经clone好了,该类中的primitive和不可变类型引用也克隆好了,可变类型引用都是浅copy。
3 把浅copy的引用指向原型对象新的克隆体。
给个例子。

Java代码
class User implements Cloneable {
   String name;
   int age;

     @Override
   public User clone() throws CloneNotSupportedException {
                return (User) super.clone();
        }
}

class Account implements Cloneable {
        User user;
        long balance;

        @Override
        public Account clone() throws CloneNotSupportedException {
                Account account = null;

                account = (Account) super.clone();
                if (user != null) {
                        account.user = user.clone();
                }

                return account;
        }
}

克隆(cloning)或者是序列化(serialization)的语义和含义是跟具体的实现相关的。因此,应该由集合类的具体实现来决定如何被克隆或者是序列化。

3.什么是迭代器(Iterator)?

由于Java中数据容器众多,而对数据容器的操作在很多时候都具有极大的共性,于是Java采用了迭代器为各种容器提供公共的操作接口。

使用Java的迭代器iterator可以使得对容器的遍历操作完全与其底层相隔离,可以到达极好的解耦效果。
public interface Iterable

   Iterator iterator()
Returns an iterator over a set of elements of type T

Collection接口拓展了接口Iterable,根据以上的对Iterable接口的定义可以发现,其要求实现其的类都提供一个返回迭代器Iterator对象的方法。

迭代器Iterator接口的的定义为:

Interface Iterator
boolean hasNext()
Returns true if the iteration has more elements.

E next()
Returns the next element in the iteration.

void remove()
Removes from the underlying collection the last element returned by the iterator (optional operation).
实现Iterator接口必须实现这三个方法。
Iterator接口提供了很多对集合元素进行迭代的方法。每一个集合类都包含了可以返回迭代器实例的迭代方法。迭代器可以在迭代的过程中删除底层集合的元素,但是不可以直接调用集合的remove(Object Obj)删除,可以通过迭代器的remove()方法删除。

4.Iterator和ListIterator的区别是什么?

Iterator可用来遍历Set和List集合,但是ListIterator只能用来遍历List。
Iterator对集合只能是前向遍历,ListIterator既可以前向也可以后向。
ListIterator实现了Iterator接口,并包含其他的功能,比如:增加元素,替换元素,获取前一个和后一个元素的索引,等等。

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