【java学习笔记】30.java 数据结构及集合框架-爱代码爱编程
前言
本章介绍Java的数据结构和集合框架。
Java 数据结构
Java工具包提供了强大的数据结构。在Java中的数据结构主要包括以下几种接口和类：
- 枚举（Enumeration）
- 位集合（BitSet）
- 向量（Vector）
- 栈（Stack）
- 字典（Dictionary）
- 哈希表（Hashtable）
- 属性（Properties）
以上这些类是传统遗留的，在Java2中引入了一种新的框架-集合框架(Collection)，我们后面再讨论。
枚举（Enumeration）
枚举（Enumeration）接口虽然它本身不属于数据结构,但它在其他数据结构的范畴里应用很广。 枚举（The Enumeration）接口定义了一种从数据结构中取回连续元素的方式。
例如，枚举定义了一个叫nextElement 的方法，该方法用来得到一个包含多元素的数据结构的下一个元素。
位集合（BitSet）
位集合类实现了一组可以单独设置和清除的位或标志。
该类在处理一组布尔值的时候非常有用，你只需要给每个值赋值一"位"，然后对位进行适当的设置或清除，就可以对布尔值进行操作了。
向量（Vector）
向量（Vector）类和传统数组非常相似，但是Vector的大小能根据需要动态的变化。
和数组一样，Vector对象的元素也能通过索引访问。
使用Vector类最主要的好处就是在创建对象的时候不必给对象指定大小，它的大小会根据需要动态的变化。
栈（Stack）
栈（Stack）实现了一个后进先出（LIFO）的数据结构。
你可以把栈理解为对象的垂直分布的栈，当你添加一个新元素时，就将新元素放在其他元素的顶部。
当你从栈中取元素的时候，就从栈顶取一个元素。换句话说，最后进栈的元素最先被取出。
字典（Dictionary）
字典（Dictionary） 类是一个抽象类，它定义了键映射到值的数据结构。
当你想要通过特定的键而不是整数索引来访问数据的时候，这时候应该使用Dictionary。
由于Dictionary类是抽象类，所以它只提供了键映射到值的数据结构，而没有提供特定的实现。
哈希表（Hashtable）
Hashtable类提供了一种在用户定义键结构的基础上来组织数据的手段。
例如，在地址列表的哈希表中，你可以根据邮政编码作为键来存储和排序数据，而不是通过人名。
哈希表键的具体含义完全取决于哈希表的使用情景和它包含的数据。
属性（Properties）
Properties 继承于 Hashtable.Properties 类表示了一个持久的属性集.属性列表中每个键及其对应值都是一个字符串。
Properties 类被许多Java类使用。例如，在获取环境变量时它就作为System.getProperties()方法的返回值。
Java 集合框架
早在 Java 2 中之前，Java 就提供了特设类。比如：Dictionary, Vector, Stack, 和 Properties 这些类用来存储和操作对象组。
虽然这些类都非常有用，但是它们缺少一个核心的，统一的主题。由于这个原因，使用 Vector 类的方式和使用 Properties 类的方式有着很大不同。
集合框架被设计成要满足以下几个目标。
- 该框架必须是高性能的。基本集合（动态数组，链表，树，哈希表）的实现也必须是高效的。
- 该框架允许不同类型的集合，以类似的方式工作，具有高度的互操作性。
- 对一个集合的扩展和适应必须是简单的。
为此，整个集合框架就围绕一组标准接口而设计。你可以直接使用这些接口的标准实现，诸如： LinkedList, HashSet, 和 TreeSet 等,除此之外你也可以通过这些接口实现自己的集合。
从上面的集合框架图可以看到，Java 集合框架主要包括两种类型的容器，一种是集合（Collection），存储一个元素集合，另一种是图（Map），存储键/值对映射。Collection 接口又有 3 种子类型，List、Set 和 Queue，再下面是一些抽象类，最后是具体实现类，常用的有 ArrayList、LinkedList、HashSet、LinkedHashSet、HashMap、LinkedHashMap 等等。
集合框架是一个用来代表和操纵集合的统一架构。所有的集合框架都包含如下内容：
- 接口：是代表集合的抽象数据类型。例如 Collection、List、Set、Map等。之所以定义多个接口，是为了以不同的方式操作集合对象
- 实现（类）：是集合接口的具体实现。从本质上讲，它们是可重复使用的数据结构，例如：ArrayList、LinkedList、HashSet、HashMap。
- 算法：是实现集合接口的对象里的方法执行的一些有用的计算，例如：搜索和排序。这些算法被称为多态，那是因为相同的方法可以在相似的接口上有着不同的实现。
除了集合，该框架也定义了几个 Map 接口和类。Map 里存储的是键/值对。尽管 Map 不是集合，但是它们完全整合在集合中。
集合框架体系如图所示
Java 集合框架提供了一套性能优良，使用方便的接口和类，java集合框架位于java.util包中， 所以当使用集合框架的时候需要进行导包。
集合接口
集合框架定义了一些接口。本节提供了每个接口的概述：
| 序号 | 接口描述 |
|---|---|
| 1 | Collection 接口 Collection 是最基本的集合接口，一个 Collection 代表一组 Object，即 Collection 的元素, Java不提供直接继承自Collection的类，只提供继承于的子接口(如List和set)。 Collection 接口存储一组不唯一，无序的对象。 |
| 2 | List 接口 List接口是一个有序的 Collection，使用此接口能够精确的控制每个元素插入的位置，能够通过索引(元素在List中位置，类似于数组的下标)来访问List中的元素，第一个元素的索引为 0，而且允许有相同的元素。 List 接口存储一组不唯一，有序（插入顺序）的对象。 |
| 3 | Set Set 具有与 Collection 完全一样的接口，只是行为上不同，Set 不保存重复的元素。 Set 接口存储一组唯一，无序的对象。 |
| 4 | SortedSet 继承于Set保存有序的集合。 |
| 5 | Map Map 接口存储一组键值对象，提供key（键）到value（值）的映射。 |
| 6 | Map.Entry 描述在一个Map中的一个元素（键/值对）。是一个 Map 的内部接口。 |
| 7 | SortedMap 继承于 Map，使 Key 保持在升序排列。 |
| 8 | Enumeration 这是一个传统的接口和定义的方法，通过它可以枚举（一次获得一个）对象集合中的元素。这个传统接口已被迭代器取代。 |
Set和List的区别
-
Set 接口实例存储的是无序的，不重复的数据。List 接口实例存储的是有序的，可以重复的元素。
-
Set 检索效率低下，删除和插入效率高，插入和删除不会引起元素位置改变 <实现类有HashSet,TreeSet>。
-
List 和数组类似，可以动态增长，根据实际存储的数据的长度自动增长 List 的长度。查找元素效率高，插入删除效率低，因为会引起其他元素位置改变 <实现类有ArrayList,LinkedList,Vector> 。
集合实现类（集合类）
Java提供了一套实现了Collection接口的标准集合类。其中一些是具体类，这些类可以直接拿来使用，而另外一些是抽象类，提供了接口的部分实现。
标准集合类汇总于下表：
| 序号 | 类描述 |
|---|---|
| 1 | AbstractCollection 实现了大部分的集合接口。 |
| 2 | AbstractList 继承于AbstractCollection 并且实现了大部分List接口。 |
| 3 | AbstractSequentialList 继承于 AbstractList ，提供了对数据元素的链式访问而不是随机访问。 |
| 4 | LinkedList 该类实现了List接口，允许有null（空）元素。主要用于创建链表数据结构，该类没有同步方法，如果多个线程同时访问一个List，则必须自己实现访问同步，解决方法就是在创建List时候构造一个同步的List。 LinkedList 查找效率低。 |
| 5 | ArrayList 该类也是实现了List的接口，实现了可变大小的数组，随机访问和遍历元素时，提供更好的性能。该类也是非同步的,在多线程的情况下不要使用。ArrayList 增长当前长度的50%，插入删除效率低。 |
| 6 | AbstractSet 继 承于AbstractCollection 并且实现了大部分Set接口。 |
| 7 | HashSet 该类实现了Set接口，不允许出现重复元素，不保证集合中元素的顺序，允许包含值为null的元素，但最多只能一个。 |
| 8 | LinkedHashSet 具有可预知迭代顺序的 Set 接口的哈希表和链接列表实现。 |
| 9 | TreeSet该 类实现了Set接口，可以实现排序等功能。 |
| 10 | AbstractMap 实现了大部分的Map接口。 |
| 11 | HashMap HashMap 是一个散列表，它存储的内容是键值对(key-value)映射。 该类实现了Map接口，根据键的HashCode值存储数据，具有很快的访问速度，最多允许一条记录的键为null，不支持线程同步。 |
| 12 | TreeMap 继承了AbstractMap，并且使用一颗树。 |
| 13 | WeakHashMap 继承AbstractMap类，使用弱密钥的哈希表。 |
| 14 | LinkedHashMap 继承于HashMap，使用元素的自然顺序对元素进行排序. |
| 15 | IdentityHashMap 继承AbstractMap类，比较文档时使用引用相等。 |
在前面的教程中已经讨论通过java.util包中定义的类，如下所示：
| 序号 | 类描述 |
|---|---|
| 1 | Vector 该类和ArrayList非常相似，但是该类是同步的，可以用在多线程的情况，该类允许设置默认的增长长度，默认扩容方式为原来的2倍。 |
| 2 | Stack 栈是Vector的一个子类，它实现了一个标准的后进先出的栈。 |
| 3 | Dictionary Dictionary 类是一个抽象类，用来存储键/值对，作用和Map类相似。 |
| 4 | Hashtable Hashtable 是 Dictionary(字典) 类的子类，位于 java.util 包中。 |
| 5 | Properties Properties 继承于 Hashtable，表示一个持久的属性集，属性列表中每个键及其对应值都是一个字符串。 |
| 6 | BitSet 一个Bitset类创建一种特殊类型的数组来保存位值。BitSet中数组大小会随需要增加。 |
集合算法
集合框架定义了几种算法，可用于集合和映射。这些算法被定义为集合类的静态方法。
在尝试比较不兼容的类型时，一些方法能够抛出 ClassCastException异常。当试图修改一个不可修改的集合时，抛出UnsupportedOperationException异常。
集合定义三个静态的变量：EMPTY_SET，EMPTY_LIST，EMPTY_MAP的。这些变量都不可改变。
| 序号 | 算法描述 |
|---|---|
| 1 | Collection Algorithms 这里是一个列表中的所有算法实现。 |
如何使用迭代器
通常情况下，你会希望遍历一个集合中的元素。例如，显示集合中的每个元素。
一般遍历数组都是采用for循环或者增强for，这两个方法也可以用在集合框架，但是还有一种方法是采用迭代器遍历集合框架，它是一个对象，实现了Iterator 接口或 ListIterator接口。
迭代器，使你能够通过循环来得到或删除集合的元素。ListIterator 继承了 Iterator，以允许双向遍历列表和修改元素。
| 序号 | 迭代器方法描述 |
|---|---|
| 1 | 使用 Java Iterator 这里通过实例列出 Iterator 和 ListIterator 接口提供的所有方法。 |
遍历 ArrayList
实例
import java.util.*;
public class Test{
public static void main(String[] args) {
List<String> list=new ArrayList<String>();
list.add("Hello");
list.add("World");
list.add("HAHAHAHA");
//第一种遍历方法使用 For-Each 遍历 List
for (String str : list) { //也可以改写 for(int i=0;i<list.size();i++) 这种形式
System.out.println(str);
}
//第二种遍历，把链表变为数组相关的内容进行遍历
String[] strArray=new String[list.size()];
list.toArray(strArray);
for(int i=0;i<strArray.length;i++) //这里也可以改写为 for(String str:strArray) 这种形式
{
System.out.println(strArray[i]);
}
//第三种遍历 使用迭代器进行相关遍历
Iterator<String> ite=list.iterator();
while(ite.hasNext())//判断下一个元素之后有值
{
System.out.println(ite.next());
}
}
}
解析：
三种方法都是用来遍历ArrayList集合，第三种方法是采用迭代器的方法，该方法可以不用担心在遍历的过程中会超出集合的长度。
遍历 Map
实例
import java.util.*;
public class Test{
public static void main(String[] args) {
Map<String, String> map = new HashMap<String, String>();
map.put("1", "value1");
map.put("2", "value2");
map.put("3", "value3");
//第一种：普遍使用，二次取值
System.out.println("通过Map.keySet遍历key和value：");
for (String key : map.keySet()) {
System.out.println("key= "+ key + " and value= " + map.get(key));
}
//第二种
System.out.println("通过Map.entrySet使用iterator遍历key和value：");
Iterator<Map.Entry<String, String>> it = map.entrySet().iterator();
while (it.hasNext()) {
Map.Entry<String, String> entry = it.next();
System.out.println("key= " + entry.getKey() + " and value= " + entry.getValue());
}
//第三种：推荐，尤其是容量大时
System.out.println("通过Map.entrySet遍历key和value");
for (Map.Entry<String, String> entry : map.entrySet()) {
System.out.println("key= " + entry.getKey() + " and value= " + entry.getValue());
}
//第四种
System.out.println("通过Map.values()遍历所有的value，但不能遍历key");
for (String v : map.values()) {
System.out.println("value= " + v);
}
}
}
如何使用比较器
TreeSet和TreeMap的按照排序顺序来存储元素. 然而，这是通过比较器来精确定义按照什么样的排序顺序。
这个接口可以让我们以不同的方式来排序一个集合。
| 序号 | 比较器方法描述 |
|---|---|
| 1 | 使用 Java Comparator 这里通过实例列出Comparator接口提供的所有方法 |
总结
Java集合框架为程序员提供了预先包装的数据结构和算法来操纵他们。
集合是一个对象，可容纳其他对象的引用。集合接口声明对每一种类型的集合可以执行的操作。
集合框架的类和接口均在java.util包中。
任何对象加入集合类后，自动转变为Object类型，所以在取出的时候，需要进行强制类型转换。