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Java集合框架

作者:Carpenter Lee发布时间:2019-09-15 09:00:00地址:https://dwz.cn/3m2t06Af

Java集合框架系列文章

具体内容安排如下:

Java集合框架简介

关于C++标准模板库(Standard Template Library, STL)的书籍和资料有很多,关于Java集合框架(Java Collections Framework, JCF)的资料却很少,甚至很难找到一本专门介绍它的书籍,这给Java学习者们带来不小的麻烦。

我深深的不解其中的原因。虽然JCF设计参考了STL,但其定位不是Java版的STL,而是要实现一个精简紧凑的容器框架,对STL的介绍自然不能替代对JCF的介绍。

本系列文章主要从数据结构和算法层面分析JCFList, Set, Map, Stack, Queue等典型容器,结合生动图解和源代码,帮助读者对Java集合框架建立清晰而深入的理解

本文并不特意介绍Java的语言特性,但会在需要的时候做出简洁的解释。

Java集合框架 概览

容器,就是可以容纳其他Java对象的对象。Java Collections Framework(JCF)为Java开发者提供了通用的容器,其始于JDK 1.2,优点是:

  • 降低编程难度

  • 提高程序性能

  • 提高API间的互操作性

  • 降低学习难度

  • 降低设计和实现相关API的难度

  • 增加程序的重用性

Java容器里只能放对象,对于基本类型(int, long, float, double等),需要将其包装成对象类型后(Integer, Long, Float, Double等)才能放到容器里。

很多时候拆包装和解包装能够自动完成。这虽然会导致额外的性能和空间开销,但简化了设计和编程。

泛型(Generics)

Java容器能够容纳任何类型的对象,这一点表面上是通过泛型机制完成,Java泛型不是什么神奇的东西,只是编译器为我们提供的一个“语法糖”,泛型本身并不需要Java虚拟机的支持,只需要在编译阶段做一下简单的字符串替换即可。

实质上Java的单继承机制才是保证这一特性的根本,因为所有的对象都是Object的子类,容器里只要能够存放Object对象就行了。

事实上,所有容器的内部存放的都是Object对象,泛型机制只是简化了编程,由编译器自动帮我们完成了强制类型转换而已。JDK 1.4以及之前版本支持泛型,类型转换需要程序员显式完成。

//JDK 1.4 or before
ArrayList list = new ArrayList();
list.add(new String("Monday"));
list.add(new String("Tuesday"));
list.add(new String("Wensday"));
for(int i = 0; i < list.size(); i++){
    String weekday = (String)list.get(i);//显式类型转换
    System.out.println(weekday.toUpperCase());
}
//JDK 1.5 or latter
ArrayList<String> list = new ArrayList<String>();//参数化类型
list.add(new String("Monday"));
list.add(new String("Tuesday"));
list.add(new String("Wensday"));
for(int i = 0; i < list.size(); i++){
    String weekday = list.get(i);//隐式类型转换,编译器自动完成
    System.out.println(weekday.toUpperCase());
}

内存管理

C++复杂的内存管理机制不同,Java GC自动包揽了一切,Java程序并不需要处理令人头疼的内存问题,因此JCF并不像C++ STL那样需要专门的空间适配器(alloctor)。
另外,由于Java里对象都在堆上,且对象只能通过引用(reference,跟C++中的引用不是同一个概念,可以理解成经过包装后的指针)访问,容器里放的其实是对象的引用而不是对象本身,也就不存在C++容器的复制拷贝问题。

接口和实现(Interfaces and Implementations)

接口

为了规范容器的行为,统一设计,JCF定义了14种容器接口(collection interfaces),它们的关系如下图所示:
Java定义了14种容器接口

Map接口没有继承自Collection接口,因为Map表示的是关联式容器而不是集合。但Java为我们提供了从Map转换到Collection的方法,可以方便的将Map切换到集合视图。

上图中提供了Queue接口,却没有Stack,这是因为Stack的功能已被JDK 1.6引入的Deque取代。

实现

上述接口的通用实现见下表:

Implementations
Hash Table Resizable Array Balanced Tree Linked List Hash Table + Linked List
Interfaces Set HashSet TreeSet LinkedHashSet
List ArrayList LinkedList
Deque ArrayDeque LinkedList
Map HashMap TreeMap LinkedHashMap

接下来的篇幅,会逐个介绍上表中容器的数据结构以及用到的算法。

迭代器(Iterator)

C++ STL一样,JCF的迭代器(Iterator)为我们提供了遍历容器中元素的方法。

只有容器本身清楚容器里元素的组织方式,因此迭代器只能通过容器本身得到。

每个容器都会通过内部类的形式实现自己的迭代器。相比STL的迭代器,JCF的迭代器更容易使用。

//visit a list with iterator
ArrayList<String> list = new ArrayList<String>();
list.add(new String("Monday"));
list.add(new String("Tuesday"));
list.add(new String("Wensday"));
Iterator<String> it = list.iterator();//得到迭代器
while(it.hasNext()){
    String weekday = it.next();//访问元素
    System.out.println(weekday.toUpperCase());
}

JDK 1.5 引入了增强的for循环,简化了迭代容器时的写法。

//使用增强for迭代
ArrayList<String> list = new ArrayList<String>();
list.add(new String("Monday"));
list.add(new String("Tuesday"));
list.add(new String("Wensday"));
for(String weekday : list){//enhanced for statement
    System.out.println(weekday.toUpperCase());
}

源代码

JDK安装目录下的src.zip包含了Java core API的源代码,本文采用的是JDK 1.7u79的源码

需要下载JDK的朋友,请参考Java下载