Java基础教程(24)--集合

一.Java集合框架

集合，有时也称为容器，是一个用来存储和管理多个元素的对象。Java中的集合框架定义了一套规范，用来表示和操作集合，使具体操作与实现细节解耦。集合框架都包含下列内容：

接口：这些是表示集合的抽象数据类型，它们定义了集合中常见的操作。
实现：为各种集合提供了具体的实现。
算法：这些是对实现集合接口的对象执行有用计算（如搜索和排序）的方法。算法被认为是多态的：也就是说，相同的方法可以用于集合接口的不同实现。

集合框架有以下优点：

减少编程工作：通过提供有用的数据结构和算法，集合可以让我们专注于程序的重要部分，而不是考虑如何实现集合。
提高程序速度和质量：集合框架提供了各种集合的高性能、高质量实现，使得我们在编写代码时不必过多地考虑程序的速度和性能。
促进代码重用：如果我们要实现自己的集合，只需要实现集合框架中的标准接口，就可以应用集合框架提供的算法，而无需重复地“造轮子”。

二.接口

下图是集合框架中的核心接口：

Java中的集合框架分为Collection和Map两类。下面是这两个接口的声明：

public interface Collection<E> extends Iterable<E> {...}

public interface Map<K,V> {...}

可以看到，Java中的集合都是泛型的。在声明集合时，应该指定集合中包含的对象类型。这样编译器可以帮我们验证放入集合中的对象类型是否正确，从而减少运行时的错误。

现在对上图中的接口进行介绍：

Collection：集合层次结构的根接口。集合表示一组被称为元素的对象，不同的集合有不同的特点。例如，有些集合允许存在重复的元素，有些则不允许；有些集合的元素是有序的，有些则是无序的。这个接口定义了所有集合都应该具有的行为，至于这些特性行为则交给子接口去定义。Java平台不提供这个接口的直接实现，而是提供它的子接口的实现。
Set：不能包含重复元素的集合。这个接口是对数学概念中的集合的抽象。
List：List表示有序集合。注意，这个有序的意思是位置有序，而不是内容有序。它与Set的区别在于，Set没有位置的概念，并且List允许有重复的元素。
Queue：Queue是对数据结构中的队列的抽象。队列按照（但不一定）FIFO（first in first out，先进先出）方式对元素进行存放，它的插入和删除操作是在不同的两端进行的。
Deque：Deque表示双端队列，它与Queue的不同之处在于它的两端都支持插入和删除。
Map：映射层次结构的根接口。它可以用来存储多个键值对，但是Map中不能包含重复键。

最后的两个接口仅仅是Set和Map接口的排序版本：

SortedSet：按升序维护Set中的元素。它提供了几个额外的操作来利用Set中的顺序。
SortedMap：按键的升序来维护Map中的键值对。它也提供了几个额外的操作来利用Map中的顺序。

下面分别对这些接口进行介绍。

1.Collection接口

集合表示一组被称为元素的对象，它与数组的最大区别就是数组的长度是固定的，而集合的长度是可以动态变化的。当我们无法事先预估元素的个数时，就可以选择使用集合。此外，使用集合还可以利用集合为我们提供的大量实用的方法。

Collection接口用在需要最大通用性地传递集合的地方。例如，按照惯例，每种集合的实现都有一个接受Collection参数的构造方法。这个方法被称为转换构造器，它使用指定集合中的所有元素来初始化新的集合，无论给定的集合是什么类型。换句话说，使用这个构造方法可以转换集合的类型。

例如，现在有一个Collection类型的集合c，它可能是一个List，Set，或者其他类型的集合。下面的代码使用c中的所有元素来初始化一个新的ArrayList（List接口的一种实现）：

List<String> list = new ArrayList<>(c);

Collection接口中包含了一些基本操作：

Collection接口中还包含了一些操作整个集合的方法：

还有两个将集合转为数组的方法：

这两个方法都可以将集合转换为数组。不过，toArray()方法只能将集合转换为Object数组，而Object数组又无法直接强制转换为其他类型的数组，因此这个方法的实用性就要差一些。而toArray(T[] a)方法则可以直接将集合转换为T类型的数组，如果参数a的长度小于集合中元素的个数，该函数会返回一个包含集合中所有元素的新的数组；如果参数a的长度大于等于集合中元素的个数，该函数就会使用数组a来返回，并且在a[size]放置一个null，size表示集合中元素的个数，这样toArray(T[] t)方法的调用者就可以知道null后面已经没有集合元素了。不过，一般我们传递的数组只是为了传递数组的类型，因此我们会传递一个空的数组进去。例如，假设现在有一个存放字符串的集合，要将它转换为字符串数组，可以像下面这样写：

String[] y = x.toArray(new String[0]);

从Java8之后，Collection接口中增加了两个与流（Stream）相关的方法，Stream stream()和Stream parallelStream()，它们分别用于获取集合的顺序流和并行流。有关流与聚合操作的内容会在稍后进行介绍。

遍历Collection

有三种遍历Collection的操作：(1)增强型for循环；(2)迭代器；(3)聚合操作。

(1)增强型for循环

我们早在流程控制一文中已经提到了增强型for循环。增强型for循环可以用来遍历数组或实现了Iterable接口的类。从上面的Collection接口的声明可以看到，Collection接口继承了Iterable接口，这意味着所有的集合都可以使用增强型for循环来遍历。例如：

public void traverseWithFor(Collection<String> collection) {

    for(String str : collection) {

        System.out.println(str);

    }

}

(2)迭代器

迭代器（也称作游标）是一种可以访问容器中的元素的对象。由于各种容器的内部结构不同，它们的遍历方式也就不尽相同。为了使对容器内元素的遍历方式更加简单和统一，Java引入了迭代器模式。迭代器模式提供了一种方法顺序访问一个聚合对象中的各种元素，但又不暴露该对象的内部表示。Java中定义的迭代器接口是Iterator，每个迭代器都必须实现这个接口。这个接口中最主要的三个方法是：

boolean hasNext();

E next();

void remove();

}

hasNext方法用于判断迭代器所在的位置后面是否存在元素，而next方法则会返回迭代器所在位置后面的元素并移动迭代器，如果没有下一个元素，这个方法会抛出NoSuchElementException。remove方法会移除上一个由next返回的元素，但是这个方法只能在每次调用next后调用一次。

如何获取迭代器呢？或者说什么样的对象才能获取迭代器呢？实际上，如果要从一个对象上获取迭代器，那么这个对象必须是可迭代的，也就是说这个类必须实现Iterable接口，通过Iterable的iterator方法可以获取到迭代器。Collection接口继承了Iterable接口，也就是说所有的集合都是可迭代的，因此可以从所有的集合对象上获取迭代器，并使用迭代器对集合进行遍历。例如：

public void traverseWithIterator(Collection<String> collection) {

    Iterator <String> it = collection.iterator();

    while(it.hasNext()) {

        System.out.println(it.next());

    }

}

如果要在遍历的过程中删除元素，那么使用迭代器的remove方法是最安全的做法，调用Collection中定义的remove方法可能会引起错误。例如：

public void removeSomething(Collection<String> collection, String something) {

    for(int i = 0;i < collection.size(); ++i){

        if(collection.get(i).equals(something)) {

            collection.remove(i);

        }

    }

}

这种方式的问题在于，删除某个元素后，集合内元素的索引发生变化，而我们的索引也在变化，所以会导致你在遍历的时候漏掉某些元素。而且，如果在删除元素时引起了集合的收缩（当集合中的元素个数小于集合的容量且达到一定程度后，集合会自动进行缩容操作），那么我们的最后几次循环可能会造成索引越界。所以，更安全的做法是：

public void removeSomething(Collection<String> collection, String something) {

    Iterator <String> it = collection.iterator();

    while(it.hasNext()) {

        if(it.next().equals(something)) {

            it.remove();

        }

    }

}

(3)聚合操作

在Java8及更高版本中，迭代集合的首选方法是获取流并对其执行聚合操作。聚合操作通常与lambda表达式结合使用，以使用较少的代码使程序更具表现力。以下代码按顺序遍历一个形状集合并打印出红色的形状：

myShapesCollection.stream()

.filter(e -> e.getColor() == Color.RED)

.forEach(e -> System.out.println(e.getName()));

同样，您可以轻松地请求并行流，如果集合足够大并且您的CPU具有足够的核心，这可能是有意义的：

myShapesCollection.parallelStream()

.filter(e -> e.getColor() == Color.RED)

.forEach(e -> System.out.println(e.getName()));

使用此API操作集合元素的方法有很多种。例如，您可能希望将一个Collection的元素转换为String对象，然后将它们连接起来，用逗号分隔：

String joined = elements.stream()

    .map(Object::toString)

    .collect(Collectors.joining(", "));

或者对所有员工的工资进行求和：

int total = employees.stream()

    .collect(Collectors.summingInt(Employee::getSalary)));

这里只是简单的对集合的聚合操作进行一个简单的展示，稍后我们将会详细地介绍聚合操作。

批量操作

批量操作对于整个集合进行操作。下面是Collection中的批量操作：

containsAll(Collection<?> c)：如果集合中包含指定集合的所有元素，则返回true。
addAll(Collection<? extends E> c)：将指定集合的所有元素添加到当前集合。
removeAll(Collection<?> c)：从集合中删除指定集合中的所有元素。
retainAll(Collection<?> c)：从当前集合中删除指定集合中不存在的元素，相当于求交集操作。
clear()：从集合中删除所有元素。

如果集合发生了变化，那么addAll，removeAll和retainAll将会返回true。

为了展示批量操作的效率，下面的例子从集合c中删除指定元素e：

c.removeAll(Collections.singleton(e));

或者说，要从集合中删除所有null元素：

c.removeAll(Collections.singleton(null));

Collections.singleton是一个静态工厂方法，它返回一个只包含一个元素的Set。Collections类提供了大量操作集合的方法，我们会在下面逐一进行介绍。

2.Set接口

Set是Collection接口的子接口，它表示不能含有重复元素的集合，这一点和数学中的集合相同。Set接口包含了继承自Collection接口中的方法并添加了禁止重复元素的限制。

下面是一个简单但实用的使用Set的例子。假设现在有一个集合，我们希望创建另一个包含相同元素但删除了所有重复元素的集合：

Collection<Type> noDups = new HashSet<>(c);

Set最大的特点就是不包含重复项，因此在构造过程中会自动去除重复的元素，而无需我们关心。上面使用的HashSet是Set接口的一个实现，我们会在稍后介绍各接口的常用实现。

由于Set接口继承自Collection接口，因此大部分方法都和Collection接口中的方法相同，这里不再赘述。此外，从Java 9之后，Set接口还提供了of和copyOf两个用于快速创建集合的静态方法，不过需要注意的是，它们创建的都是不可变的Set，也就是说集合一经创建就不能再添加或删除元素。其中of方法接受0个或多个参数，并返回包含这些元素的不可变集合，而copyOf则根据指定的集合来创建包含该集合中元素的不可变集合。下面是使用这两个方法的例子：

Set<Integer> set1 = Set.of(1, 2);

Set<Integer> set2 = Set.copyOf(set1);

此外，对于Set来说，只要两个集合的元素都是相等的，那么我们就认为这两个集合是相等的。这与Object类默认的equals方法不同，因此在实现Set接口时，我们还需要重新定义equals和hashcode方法。

3.List接口

List也是Collection接口的子接口，它表示有序集合，并且它可以包含重复元素，有时也将其称之为列表。除了继承自Collection的方法外，它还支持以下操作：

位置访问：根据在列表中的位置来操作元素，例如get、set、add、addAll和remove等方法。
查找：查找指定的对象并返回其在列表中的位置，查找方法包括indexOf和lastIndexOf。
迭代：除了继承自Collection接口的iterator方法，List接口还提供了listIterator方法来获取利用列表的顺序性对列表进行遍历的迭代器。
视图操作：subList方法获取一个子列表的视图，对它进行操作实际上就是对原列表进行操作。
排序：按照指定的比较规则对列表中的元素进行排序。
替换：按照指定的规则对列表中的元素进行替换。

由于List接口继承自Collection接口，因此Collection中的方法不再介绍。此外，List接口中也包含of和copyOf静态方法，除了它返回的是不可变的List之外，其他都和上面Set接口中的这两个方法一致。下面对List接口中特有的方法进行介绍。

位置访问

下面是List接口中与位置有关的操作：

add(int index, E element)：将指定元素插入到指定位置上。
addAll(int index, Collection<? extends E> c)：将指定集合中的元素插入到指定位置上。
get(int index)：获取指定位置上的元素。
remove(int index)：移除指定位置上的元素。
set(int index, E element)：使用指定元素替换指定位置上的元素。

这些方法的使用都比较简单，这里不再一一举例。

搜索

List接口中提供了indexOf和lastIndexOf两个方法来对指定元素进行查找，它们与contains最大的区别就是如果找到元素，就可以返回元素在列表中的位置。如果没有找到，这两个方法将会返回-1。由于列表允许重复的元素，因此indexOf会返回从前向后查找时该元素第一次出现的位置，而lastIndexOf会返回从后向前查找时该元素第一次出现的位置。例如：

List<Integer> intList = List.of(0, 1, 2, 1, 0);

System.out.println(intList.indexOf(1));

System.out.println(intList.lastIndexOf(1));

上面的例子将会输出：

1

3

迭代器

除了继承自Collection接口的iterator方法，List接口还提供了listIterator方法，使用这个方法可以获取一个ListIterator类型的迭代器。使用这种迭代器可以以任一方向对列表进行遍历，在遍历期间修改列表（不只是删除，还可以插入和替换），或者是获取迭代器的当前位置。

ListIterator接口是Iterator接口的子接口，除了继承自Iterator接口的三个方法外（hasNext、next和remove），它还新增了六个方法。下面是这九个方法的简介：

hasNext()：判断迭代器所在的位置后面是否有元素。
next()：返回迭代器所在位置后面的元素并向后移动迭代器。
hasPrevious()：判断迭代器所在的位置前面是否有元素。
previous()：返回迭代器所在位置前面的元素并向前移动迭代器。
previousIndex()：返回迭代器所在位置的前一个元素的索引。
nextIndex()：返回迭代器所在位置的后一个元素的索引。
add(E e)：将指定元素插入到迭代器所在的位置前面。
set(E e)：使用指定元素替换上一次next或previous操作返回的元素。
remove()：移除上一次next或previous操作返回的元素。

这里有必要解释一下ListIterator的位置的概念。对于一个ListIterator来说，它的游标并不指向某个元素，而是位于两个元素之间。如果一个列表有n个元素，那么ListIterator的游标的位置就有n+1个，例如：

上图中的列表共有4个元素，那么游标可能出现的位置就有5个，分别是0，1，2，3，4。

List接口的listIterator方法有两种形式。listIterator()返回一个游标在0处的迭代器，listIterator(int index)返回一个指定位置的迭代器，例如上图中，list.listIterator(4)就会返回最后一个位置的迭代器。通过这两个方法和ListIterator，就可以从任意位置，任意方向去遍历列表。

需要注意的是，remove和set方法并没有涉及到迭代器的位置，它们操作的是上一次next或previous操作返回的元素。除此之外，在调用next或previous之后，调用remove之前，这中间不能调用add方法；而在调用next或previous之后，调用set之前，这中间不能调用add或remove方法。这是由于如果在set或remove之前进行了其他操作，列表会发生变化，此时再调用这两个方法有可能产生歧义，因此为了避免这种情况，这两个方法将会抛出IllegalArgumentException。

视图操作

subList(int fromIndex, int toIndex)是一个视图操作，它返回一个子列表，这个子列表包含了原列表中索引在fromIndex到toIndex（不包括toIndex）之间的元素。之所以说subList是一个视图操作，是因为它返回的子列表的元素都是原列表中的元素，而不是它们的拷贝。对子列表的操作也会影响到原列表。

例如，下面的例子从列表中移除子列表视图中的元素：

list.subList(fromIndex, toIndex).clear();

这比我们使用迭代器去删除这些元素简洁不少。下面的例子在指定的范围中查找元素：

int i = list.subList(fromIndex, toIndex).indexOf(o);

int j = list.subList(fromIndex, toIndex).lastIndexOf(o);

注意，上面的例子中返回的是元素在子列表中的索引，而不是在原列表中的索引。

尽管subList操作非常强大，但在使用时必须小心。在修改了原列表后，不要再使用之前的subList，否则可能会出现异常，例如：

List<String> list = new ArrayList<>();

list.add("0");

list.add("1");

list.add("2");

list.add("3");

List<String> subList = list.subList(0,2);

list.remove(1);

System.out.println(subList);

上面的程序中，subList是索引为0和1的两个元素的视图，从原集合中删除索引为1的元素，视图也会随着改变。但是对于我们来说，如果这个操作在其他的方法中，那么我们无法感知视图的变化，程序也有可能会抛出异常。为了避免这种情况，建议在修改原始列表后，不要再使用之前的视图，而是应该重新获取。

排序

List接口提供了一个默认方法sort(Comparator<? super E> c)，它接受一个Comparator类型的对象作为参数，然后根据该对象中定义的比较规则对列表进行排序。Comparator定义了某种类型的比较规则，它只有一个抽象方法compare(T o1, T o2)，因此它是一个函数式接口，也就是说可以向sort方法传递lambda表达式。当o1大于o2时，compare方法返回正数；当o1小于o2时，compare方法返回负数；当o1等于o2时，compare方法返回0。

现在假设我们有一个Apple类，这个类有weight以及其他的属性。当一个Apple的weight大于另一个Apple的weight时，我们就认为这个Apple是“大于”另一个Apple的。根据这个定义，我们来编写用于排序Apple列表的Comparator：

public class AppleComparator implements Comparator<Apple> {

    public int compare(Apple a1, Apple a2) {

        return a1.getWeight() - a2.getWeight();

    }

}

现在就可以对Apple列表appleList进行排序了：

appliList.sort(new AppleComparator());

当然，可以使用更加简洁的lambda表达式，这样就无需编写AppleComparator类了，只需要像下面这样：

appleList.sort((a1, a2) -> a1.getWeight() - a2.getWeight());

sort方法首先将列表转换为数组，然后使用归并排序对数组进行排序，最后再将数组中的元素放回列表中。该sort方法提供了快速、稳定的排序（排序算法的稳定性是排序前后相等元素的相对顺序不发生改变）。

替换

List接口提供了一个默认方法replaceAll(UnaryOperator operator)，用于替换列表中的元素。这个方法接受一个UnaryOperator对象作为参数，这是Java中定义的一个函数式接口，因此我们一般直接向replaceAll方法传递lambda表达式。UnaryOperator接口的抽象方法apply接受一个参数，对它执行某些操作然后返回操作后的结果。replaceAll方法会对所有的元素执行apply方法，然后用返回的结果替换原来的元素。

利用这个方法可以对满足条件的元素执行替换操作。例如，现在有一个存放字符的集合charList，我们需要找到其中的小写字母并将其转换为大写字母：

charList.replaceAll(c -> {

    if (Character.isLowerCase(c)) {

        return Character.toUpperCase(c);

    }

    return c;

});

列表算法

除了List接口中声明的这些方法以外，Collections类还提供了许多操作List的方法。下面对这些方法进行简要地介绍：

sort——对指定的列表进行排序，本质上只是调用了List自身的sort方法。
shuffle——随机打乱列表中元素的顺序。
reverse——反转列表。
rotate——将列表按照指定的距离进行旋转。
swap——交换两个指定索引处的元素。
replaceAll——使用指定的新元素替换指定的旧元素。
fill——使用指定元素替换列表中的所有元素。
copy——将源List中的元素拷贝到目标List。
binarySearch——使用二分查找算法在列表中查找元素，前提是列表必须是排好序的（升序）。
indexOfSubList——从前向后查找子列表在指定列表中出现的位置，若未找到则返回-1。
lastIndexOfSubList——从后向前查找子列表在指定列表中出现的位置，若未找到则返回-1。

4.Queue接口

队列是在处理之前保存元素的集合。除了基本的集合操作外，Queue接口还新增了以下方法：

E element();

boolean offer(E e);

E peek();

E poll();

E remove();

Queue的每种方法都存在两种形式：一种是在操作失败的时候抛出异常，另一种在操作失败的时候返回特定值（null或false，取决于操作类型）。下表列出了这些方法：

队列通常（但不一定）是按照先进先出（FIFO，first in first out）的方式来保存元素。优先级队列除外，它们根据元素的值对元素进行排序。无论使用什么顺序，队列头部的元素都是通过调用remove或poll方法将会被删除的那个元素。在FIFO队列中，所有的新元素都被插入队列的尾部。其他类型的队列可能使用不同的排列规则。每个Queue接口的实现都必须指定其排序特性。

有些类型的队列会限制元素的个数，这样的队列被认为是有界的。java.util.concurrent包中的某些Queue的实现是有界的，而java.util包中的Queue的实现则不是。

Queue接口中的add方法继承自Collection接口，它向队列中插入一个元素。如果元素的个数超出容量限制，这个方法会抛出一个IllegalStateException异常。另一个向队列中插入元素的方法是offer方法，当插入失败时，这个方法将会返回false。当使用有界队列时，更推荐使用这个方法。

remove和poll方法都返回并移除队列头部的元素。当队列为空时，remove抛出NoSuchElementException异常，而poll则返回null。

element和peek方法返回但不移除队列头部的元素。当队列为空时，element抛出NoSuchElementException异常，而peek则返回null。

Queue的实现类通常来说不允许插入null元素。但LinkedList类是个例外，它也是Queue的实现类，但是它允许插入null。在使用LinkedList时应该避免插入null元素，因为null被peek和poll方法作为特殊的返回值。

下面的例子将队列用作一个倒计时器：

public void countdown(int seconds) throws InterruptedException {

    int time = Integer.parseInt(seconds);

    Queue<Integer> queue = new LinkedList<Integer>();

    for (int i = time; i >= 0; i--)

        queue.add(i);

    while (!queue.isEmpty()) {

        System.out.println(queue.remove());

        Thread.sleep(1000);

    }

}

该程序将会每秒输出一个数字，这个数字代表倒计时所剩的秒数。由于我们入队时是按照从大到小的顺序，而出队时也是从大到小的顺序，这正好证明了队列的先进先出的特性。

5.Deque接口

Deque是Queue的子接口，它表示双端队列。双端队列是支持在两端进行插入和删除操作的队列。正是由于双端队列支持在两端进行操作，它既可以被用作后进先出的栈，也可以被用作先进先出的队列。

由于Deque支持在两端进行插入、删除和查看操作，再加上每种操作都有抛出异常和返回特殊值两种形式，因此Deque接口中共定义了以下12个访问元素的方法：

以上这些方法与除了操作的位置不同外，其余与Queue中的方法完全相同，这里不再赘述。除此之外，Deque还提供了removeFirstOccurence和removeLastOccurence两个方法，这两个方法分别删除指定元素在Deque中第一次和最后一次出现的位置。

6.Map接口

Map接口表示映射结构，它是对数学概念中的映射的抽象，可以将它理解为存储键值对的集合。但实际上它并不是集合，它是Java集合框架中映射结构的顶级接口。通过给定的键可以很快地从Map中找到对应的值。Map中不能包含重复的键，如果向Map中插入键相同的键值对，那么Map中这个键对应的值将会被新的值覆盖。

下面是Map接口中定义的基本方法：

需要注意的是，某些Map实现支持null值，而有些则不支持。因此，当使用get方法获取value时，若返回null，则需要根据对应的实现类来进行判断是key不存在还是key对应的value是null。当然，为了保险起见，可以先调用containsKey来判断指定的key是否存在。

除了操作单个元素的基本操作外，Map中还定义了两个批量操作映射的方法：

Map中定义了一个内部接口Entry，它用来表示Map中的一个键值对。Entry接口提供了getKey和getValue方法，可以分别获得键值对的键和值。Map接口还提供了一个静态方法entry(K key,V value)，这个方法将会根据指定的key和value生成一个不可变的Entry类型的对象。

Map接口提供了针对键、值和键值对的集合视图：

keySet——返回包含Map中所有键的Set。
values——返回包含Map中所有值的Collection。这个Collection不会是Set，因为多个键可能对应相同的值。
entrySet——返回包含Map中所有键值对的Set。

Map接口中还提供了几个可以直接返回Map实例的方法：

copyOf相当于是对原Map的拷贝，of方法根据指定的若干对键和值来创建Map，ofEntries接受的是可变参数，它根据指定的若干个键值对来创建Map。需要注意的是，这些方法返回的都是不可变的Map，对其调用任何可能会改变映射内容的方法都会抛出异常。

此外，Map接口中还提供了一些实用的默认方法，下面对这些方法做一个简单的介绍，具体的使用方法可以参考官方的API：

7.SortedSet接口

SortedSet是Set接口的子接口，它实际上是Set的排序版本。它对内部的元素按照自然顺序或者在构建SortedSet的实例时指定的Comparator来对元素进行排序。我们上面提到的TreeSet就实现了SortedSet接口。除了继承自Set接口的方法外，SortedSet还提供了以下操作：

范围视图：获取任意范围内的元素的视图。
访问双端元素：返回第一个或最后一个元素。
获取比较器：返回排序使用的比较器（如果有）。

自然顺序是指在比较一个对象和另外一个对象时，先将该对象强转为Comparable类型。若类型转换失败，则抛出ClassCastException，这表示该类没有实现Comparable接口，即没有提供默认的比较方法；若转换成功，则通过compartTo方法的返回值来对两个对象进行比较。

SortedSet中定义了以下方法：

public interface SortedSet<E> extends Set<E> {

    // Range-view

    SortedSet<E> subSet(E fromElement, E toElement);

    SortedSet<E> headSet(E toElement);

    SortedSet<E> tailSet(E fromElement);

    // Endpoints

    E first();

    E last();

    // Comparator access

    Comparator<? super E> comparator();

}

SortedSet的视图操作共有三个方法：

subSet(E fromElement, E toElement)：返回包含范围在fromElement（包含）到toElement（不包含）之间的元素的集合。
headSet(E toElement)：返回小于toElement的元素的集合。
tailSet(E fromElement)：返回大于fromElement的元素的集合。

与List的视图不同，即使修改了原集合，SortedSet的视图仍然有效。List的视图是原集合中的特定元素，当原集合发生结构性的变化后，视图无法继续保持原来的特定元素；而SortedSet的视图则是原集合中特定范围内的元素，只与范围有关，因此在修改了原集合之后，视图仍然有效。

访问双端元素的方法是first()和last()，它们分别返回SortedSet中的第一个元素和最后一个元素。

通过comparator()方法可以获取SortedSet在排序时使用的比较器。如果集合内元素是按照自然顺序排序的，这个方法将会返回null。

8.SortedMap接口

SortedMap是Map接口的子接口，它实际上是Map的排序版本。它按照自然顺序或者在构建SortedMap的实例时指定的Comparator来对键进行排序。与SortedSet类似，它也提供了以下操作：

范围视图：获取键在指定范围内的子映射的视图。
访问双端键：返回第一个或最后一个键。
获取比较器：返回排序使用的比较器（如果有）。

SortedMap中定义了以下方法：

public interface SortedMap<K, V> extends Map<K, V>{

    // Range-view

    SortedMap<K, V> subMap(K fromKey, K toKey);

    SortedMap<K, V> headMap(K toKey);

    SortedMap<K, V> tailMap(K fromKey);

    // Endpoints

    K firstKey();

    K lastKey();

    // Comparator access

    Comparator<? super K> comparator();

}

这些方法与SortedSet中定义的方法基本类似，可以类比参照上一小节中对这些方法的介绍，这里不再进行过多描述。

三.实现

在讲完了Java集合框架中的基本接口后，现在我们来学习这些接口的实现。本文描述了以下几种实现：

通用实现——最常用的实现，专为日常使用而设计。
专用实现——专门为一些特殊场景设计，性能、限制或行为可能与通用实现不同。
并发实现——旨在支持高并发性。
包装实现——包装其他类型的实现（通常是通用实现），以增加或限制功能。
便捷实现——通常是通过静态工厂方法提供的迷你实现，为特殊集合（例如单例集）的实现提供方便、有效的替代方案。
抽象实现——可以理解为骨架实现，有助于方便、快速地构建自定义实现。

下面将依次对第二节中提到的接口的实现进行介绍。在介绍实现时，由于之前已经对各接口中定义的方法做了说明，因此不再重复阐述，只是描述各实现类的特点和注意事项。

1.Set实现

通用实现

Java平台中提供的Set接口的通用实现是HashSet、TreeSet和LinkedHashSet。HashSet将元素存在一个哈希表中，是性能最佳的实现，但是它不能保证迭代的顺序。TreeSet将元素存储在一个红黑树中，根据元素的值来进行排序，它比HashSet慢得多。LinkedHashSet同时具备了链表和哈希表的特点，使用链表来保存插入顺序，使用哈希表来快速定位元素，也就是说它的遍历顺序和插入顺序是一致的，但同时它的成本也是最高的。在实际使用过程中，可以灵活选择这几种Set。如果对遍历的顺序没有要求或者不需要遍历，可以选择HashSet；如果在遍历时需要按照元素的值进行排序，可以选择TreeSet；如果需要按照插入顺序遍历，可以选择LinkedHashSet。

实际上，有关这些实现类还有很多实现细节没有介绍。由于本系列是基础教程，因此不再过多深入。后续会推出阅读Java源码的系列，届时将会对Java中部分常用的类的源码进行详细介绍，敬请期待。

专用实现

Java提供了两个Set接口的专用实现——EnumSet和CopyOnWriteArraySet。

EnumSet是为枚举类型提供的高性能实现。EnumSet的所有成员必须具有相同的枚举类型。下面是EnumSet类中提供的构造EnumSet的工厂方法：

EnumSet内部维护了一个存储该枚举类型所有成员的数组，还有一个表示每个枚举成员是否存在于集合内的“位向量”，这个“位向量”可能是long也可能是long数组。因为每个枚举对象都有一个序号，因此位向量使用序号对应的位上的0或1来表示该对象是否存在于集合中。例如，现在我们有一个关于星期的枚举类型：

public enum Day {

    SUNDAY, MONDAY, TUESDAY, WEDNESDAY, THURSDAY, FRIDAY, SATURDAY

}

我们使用of方法来创建一个EnumSet实例：

Set<Day> days = EnumSet.of(Day.TUESDAY, Day.FRIDAY);

那么对于这个EnumSet来说，它的位向量是下面这样的：

实际上，EnumSet是一个抽象类。java.util包中提供了它的两个子类，分别是RegularEnumSet和JumboEnumSet，RegularEnumSet使用一个long变量来表示位向量，而JumboEnumSet则使用long数组来表示位向量。在使用EnumSet的工厂方法构建实例时，它会自己选择使用哪个子类，而无需我们关心。

现在来看另外一个专用实现——CopyOnWriteArraySet。在介绍这个类之前，首先我们要了解一下CopyOnWrite的概念。这个术语的字面意思是在写的时候复制，实际上也是这么做的。在修改某个数据时，我们先拷贝一份副本，在副本上进行写操作，然后再替换之前的数据。这样可以避免在写数据时，因为加锁而造成其他读线程等待的情况。CopyOnWriteArraySet内部使用数组来保存元素，当对集合进行修改操作时（例如add、set或remove等），它会先将数组拷贝出一个副本，然后对这个副本进行操作，最后再将对原数组的引用指向新的数组。实际上，CopyOnWriteArraySet内部使用了下文中List接口的实现类CopyOnWriteArrayList来保存元素，而CopyOnWriteArrayList才是真正使用数组来实现的。

正是由于这个机制，CopyOnWriteArraySet具有以下特点：

它适用于读操作远远多于写操作的场景，因为写操作代价较高，它通常意味着复制整个底层数组；
它是线程安全的；
迭代器不支持remove操作；
读进程有可能读到的是过时的数据；
读写进程之间没有竞争，但是写进程之间还是需要加锁。

2.List实现

通用实现

Java集合框架中提供了两个List集合的通用实现——ArrayList和LinkedList。ArrayList内部使用数组实现，因此它的访问速度非常快。但正是由于它内部使用数组，因此在指定位置处添加或删除元素时需要移动后面所有的元素。需要注意的是，它并不是线程安全的。不过，可以使用Collections类的synchronizedList方法来将一个ArrayList转换为线程安全的对象。

如果需要频繁地在List的开头添加或删除元素并且元素的个数非常多时，则应考虑使用LinkedList。它是使用链表来实现的，因此它的添加和删除元素操作非常快。但正是由于链式结构，因此它的访问速度则需要花费线性时间。此外，LinkedList还实现了Deque，因此它支持Deque接口中定义的操作。

在使用List时，要充分考量程序的性能，来选择使用ArrayList还是LinkedList。一般来说，ArrayList更快。

专用实现

Java提供了两个List接口的专用实现——Vector和CopyOnWriteArrayList。

Vector是线程安全的List，并且它比经过Collections.synchronizedList处理过的ArrayList还要快一点。但是Vector中含有大量的遗留代码，毕竟它从Java1.0就开始存在了，当时还没有集合框架。从Java1.2开始，这个类被改进以实现List接口，使其成为Java集合框架的一员。因此，在使用Vector时，应该尽量使用List接口去操作。

CopyOnWriteArrayList的原理在上文中对CopyOnWriteArraySet的介绍中已经做了说明，这里不再赘述。

3.Map实现

通用实现

Map接口的三个通用实现分别是HashMap、TreeMap和LinkedHashMap。如果你想要最快的速度而不关心迭代顺序，请使用HashMap。如果需要SortMap操作或按键排序的迭代顺序，请使用TreeMap。如果需要接近HashMap的速度和按插入顺序迭代，请使用LinkedHashMap。这三个实现和Set接口中的三个通用实现非常类似。

虽然LinkedHashMap默认是按照插入顺序来排序，但是可以在构造LinkedHashMap实例时指定另外一种排序规则。这种规则按照最近对每个键值对的访问次数来排序，通过这种Map可以很方便地构建LRU缓存（Least Recently Used，一种缓存策略）。LinkedHashMap还提供了removeEldestEntry方法，通过覆盖该方法，可以定义何时删除旧缓存。例如，假如我们的缓存最多只允许100个元素，在缓存中的元素个数达到100个之后，每次添加新元素时都要清除旧元素，从而保持100个元素的稳定状态，可以像下面这样：

private static final int MAX_ENTRIES = 100;

protected boolean removeEldestEntry(Map.Entry eldest) {

    return size() > MAX_ENTRIES;

}

实际上，还有一个Map接口的通用实现——Hashtable（注意小写）。它也是从Java1.0开始就存在的一个“元老”。从Java1.2开始，它被改进以实现Map接口。它是线程安全的，但是由于效率较低，单线程时可以使用HashMap来代替，多线程时又可以使用下文中的ConcurrentHashMap来代替，因此这个类现在已经不再推荐使用。

专用实现

Java提供了三个Map接口的专用实现——EnumMap，WeakHashMap和IdentityHashMap。

EnumMap用在那些需要将枚举元素作为键的映射中，它的底层是使用数组来实现的。EnumMap是一个Map与枚举键一起使用的高性能实现。该实现将Map接口的丰富性和安全性与数组的速度相结合。如果要将枚举映射到值，则应始优先考虑EnumMap。

WeakHashMap只存储对其键的弱引用。JVM提供了四种类型的引用，分别是强引用、弱引用、软引用和虚引用，可以让程序员来决定某些对象的生命周期，有利于JVM进行垃圾回收。在进行垃圾回收时，若某个对象只具有弱引用，它一定会被回收。因此，当WeakHashMap中的键不再被外部引用时，JVM将会对它进行回收，该键值对也会消失。

IdentityHashMap在比较键时使用引用相等性代替对象相等性。在正常的Map实现中，当key1.equals(key2)返回true时，我们就认为这两个key是相等的；而在IdentityHashMap中，只有当key1==key2时，才认为这两个key是相等的。

并发实现

ConcurrentHashMap时Java提供的一个高并发、高性能的Map实现，它位于java.util.concurrent包中。这个实现在执行读操作时不需要加锁。因为这个类旨在作为Hashtable的替代品，因此，除了实现ConcurrentMap接口外（为线程安全Map定义的接口），它还保留了大量Hashtable中的遗留代码。因此，在使用ConcurrentHashMap时，应该尽量使用ConcurrentMap或Map接口去操作。

4.Queue实现

通用实现

Queue接口的通用实现包括LinkedList和PriorityQueue。

我们已经在List实现中介绍了LinkedList，为什么还要在Queue实现中再次提到它呢？这是因为LinkedList同时实现了List接口和Deque接口，而Deque接口又是Queue的子接口。因此，LinkedList可以算是List、Queue和Deque的实现。当我们使用不同的接口去引用LinkedList实例时，它就会表现出不同的行为。

PriorityQueue用来表示基于堆结构的优先级队列。它使用指定的排序规则来对元素进行排序，而不是按照队列默认的先进先出的顺序。在对PriorityQueue进行遍历时，迭代器不保证以任何特定顺序遍历优先级队列的元素。如果需要有序遍历，可以使用Arrays.sort(pq.toArray())。

并发实现

java.util.concurrent包中提供了一组Queue实现类，这些类都是线程安全的，因此可以在多线程中使用。这些类根据是否会阻塞线程可以分为两类：一类是非阻塞的，这里指的是ConcurrentLinkedQueue，它是使用链表实现的线程安全的队列；另一类是阻塞的，它们都实现了BlockingQueue接口，这个接口继承了Queue接口并且增加了一些额外的操作，支持当获取队列元素但是队列为空时，会阻塞等待队列中有元素再返回或超时返回；也支持添加元素时，如果队列已满，那么等到队列可以放入新元素时再放入或超时返回。

下表是BlockingQueue接口中操作元素的方法，除了继承自Queue接口的抛出异常和返回特定值的形式外，又增加了阻塞和超时两种形式：

下面是BlockingQueue接口的实现类：

LinkedBlockingQueue——由链式节点实现的有界FIFO阻塞队列。
ArrayBlockingQueue——由数组实现的有界FIFO阻塞队列。
PriorityBlockingQueue——由堆实现的无界阻塞优先级队列。
DelayQueue——支持延时获取元素的无界阻塞队列。
SynchronousQueue——同步阻塞队列，无容量，它的每个插入操作都要等待其他线程相应的移除操作，反之亦然。

此外，java.util.concurrent包中还定义了TransferQueue接口，它是BlockingQueue的子接口。在添加元素时，除了BlockingQueue中定义的方法，TransferQueue还定义了transfer和tryTransfer方法。transfer方法在传递元素时，若存在消费者，则立即将元素传递给消费者，否则将元素插入到队列尾部；tryTransfer方法在传递元素时，若存在消费者，则立即将元素传递给消费者，否则将元素插入到队列尾部，若在指定的时间内元素没有被消费者获取，则将该元素从队列中移除并返回false。TransferQueue接口有一个基于链式节点的无界实现——LinkedTransferQueue。

5.Deque实现

通用实现

Deque接口的通用实现包括LinkedList和ArrayDeque。ArrayDeque使用可调整大小的数组实现，而 LinkedList则是链表实现。

LinkedList允许null元素，而ArrayDeque则不允许。在效率方面，ArrayDeque比LinkedList两端的添加和删除操作更高效。LinkedList的最佳使用方式是在迭代期间删除元素。不过LinkedList并不是迭代的理想结构，并且它比ArrayDeque占用更多的内存。此外，无论是LinkedList还是ArrayDeque均不支持多个线程的并发访问。

并发实现

LinkedBlockingDeque类是Deque接口的并发实现。和BlockingQueue相同，它在获取双端队列元素但是队列为空时，会阻塞等待队列中有元素再返回或超时返回；也支持在双端添加元素时，如果队列已满，那么等到队列可以放入新元素时再放入或超时返回。

上面的LinkedBlockingDeque类是阻塞的，java.util.concurrent包中还定义了一个非阻塞的Deque接口实现类——ConcurrentLinkedDeque，它是使用链表实现的线程安全的双端队列。

6.包装实现

位于java.utils包中的Collections也是Java集合框架的一员，但它不是任意一种集合，而是一个包装类。它包含各种有关集合操作的静态方法，这个类不能实例化。它就像一个工具类，服务于集合框架。

这个类提供了很多的静态工厂方法，通过这些方法，可以提供具有某些特性的集合（例如空集合，同步集合，不可变集合等），或者包装指定的集合，使之具有某些特性。下面对这个类中的一些方法进行介绍。

同步包装器

同步包装器将自动同步（线程安全）特性添加到任意集合上。Collection，Set，List，Map，SortedSet和 SortedMap接口都有一个静态工厂方法。

public static <T> Collection<T> synchronizedCollection(Collection<T> c);

public static <T> Set<T> synchronizedSet(Set<T> s);

public static <T> List<T> synchronizedList(List<T> list);

public static <K,V> Map<K,V> synchronizedMap(Map<K,V> m);

public static <T> SortedSet<T> synchronizedSortedSet(SortedSet<T> s);

public static <K,V> SortedMap<K,V> synchronizedSortedMap(SortedMap<K,V> m);

每一个方法都会返回指定集合的包装对象，这个集合是线程安全的。所有对于集合的操作都应该通过这个集合来完成，保证这一点最简单的方法就是不再保留对原集合的引用。

面对并发访问，用户必须在迭代时手动同步返回的集合。这是因为迭代是通过对集合的多次访问来完成的，而返回的集合虽然是同步的，但是它只能保证每一次对集合的操作都是线程安全的，而不能保证对于几个的多次操作也是安全的，因此这些操作必须组成一个单独的原子操作。以下是迭代通过包装器返回的同步集合的习惯用法：

Collection<Type> c = Collections.synchronizedCollection(myCollection);

synchronized(c) {

    for (Type e : c)

        foo(e);

}

有关synchronized关键字和多线程的内容会在之后的文章中进行介绍。

不可变包装器

不可变包装器可以使集合变为不可变集合，从而具有只读属性，任何会对集合进行改变的操作都会抛出一个UnsupportedOperationException。与同步包装器一样，六个核心接口中的每一个都有一个静态工厂方法：

public static <T> Collection<T> unmodifiableCollection(Collection<? extends T> c);

public static <T> Set<T> unmodifiableSet(Set<? extends T> s);

public static <T> List<T> unmodifiableList(List<? extends T> list);

public static <K,V> Map<K, V> unmodifiableMap(Map<? extends K, ? extends V> m);

public static <T> SortedSet<T> unmodifiableSortedSet(SortedSet<? extends T> s);

public static <K,V> SortedMap<K, V> unmodifiableSortedMap(SortedMap<K, ? extends V> m);

为了保证集合的绝对不变性，应该在获取集合的不可变包装后，不再保留对原集合的引用。

7.便捷实现

本节描述了几种便捷实现，当您不需要集合的全部功能时，它们比通用实现更方便，更高效。本节中的所有实现都是通过静态工厂方法提供的。

数组的列表视图

Arrays.asList方法可以接受一个数组并返回该数组的列表视图。对于集合的改变会应用在数组上，反之亦然。集合的大小就是数组的大小且不能更改，如果再集合视图上调用可能会修改集合大小的方法将会抛出一个UnsupportedOperationException。

这个实现的一般用途是作为数组和集合之间的桥梁。它允许我们将数组传递给需要Collection或List的方法。这种实现还有一个用途，如果我们需要固定大小的List，它比任何通用实现都要高效：

List<String> list = Arrays.asList(new String[size]);

指定元素的集合

下面的方法可以根据指定的元素来创建集合：

Arrays.asList(T... a)——返回包含指定的若干个元素的不可变List。
Collections.nCopies(int n, T o)——返回包含n个指定元素o的不可变List（这些元素都是o的引用）。
Collections.singleton(T o)——返回只包含该对象的不可变Set。

空集合或空映射

Collections类提供了返回空Set、List和Map的方法，它们分别是emptySet()、emptyList()和emptyMap()。

四.算法

本节中所有的算法都来自Collections类，这些算法绝大多数都以List实例作为参数，也有少部分是以Collection实例作为参数的。下面是这些算法：

sort(List list)——按照自然顺序对List进行排序。
sort(List list, Comparator<? super T> c)——根据指定的比较器对List进行排序。
shuffle(List<?> list)——使用默认随机源打乱List元素顺序。
shuffle(List<?> list, Random rnd)——使用指定随机源打乱List元素顺序。
reverse(List<?> list)——反转List中的元素顺序。
fill(List<? super T> list, T obj)——使用指定元素替换List中的所有元素。
copy(List<? super T> dest, List<? extends T> src)——将src中的元素拷贝到dest中。dest的size要大于等于src的size。
swap(List<?> list, int i, int j)——交换指定位置的元素。
addAll(Collection<? super T> c, T... elements)——将若干元素添加到指定的Collection中。
binarySearch(List<? extends Comparable<? super T>> list, T key)——使用二分搜索算法在List中查找指定元素。该List必须是按照升序排列，且使用自然顺序排序。
binarySearch(List<? extends T> list, T key, Comparator<? super T> c)——使用二分搜索算法在List中查找指定元素。该List必须是按照升序排列。调用者需要提供比较器以用于在查找过程中进行比较。
frequency(Collection<?> c, Object o)——返回指定元素在Collection中出现的次数。
disjoint(Collection c1, Collection c2)——如果两个集合没有交集，返回true，否则返回false。
min(Collection<? extends T> coll)或max(Collection<? extends T> coll)——返回根据自然顺序排列的最小值或最大值。
min(Collection<? extends T> coll, Comparator<? super T> comp)或max(Collection<? extends T> coll, Comparator<? super T> comp)——返回根据指定比较器排列的最小值或最大值。

五.总结

到这里为止，关于Java集合框架的介绍就告一段落了。我们从接口、实现和算法三个层面了解了Java为我们提供的优秀的集合框架。考虑到本系列是基础教程，因此对于部分实现类的数据结构和实现细节没有进行过多地阐述。感兴趣的读者可以查阅其他资料或者尝试阅读源码，我之后也会在其他的系列中对部分重要的类的源码进行讲解，敬请期待。