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[Java教程]Java Collections Framework概览


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以及之前版本不支持泛型,类型转换需要程序员显式完成。

//JDK 1.4 or beforeArrayList 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 latterArrayList<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

跟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:
pic
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 TableResizable ArrayBalanced TreeLinked ListHash Table + Linked List
InterfacesSetHashSet TreeSet LinkedHashSet
List ArrayList LinkedList 
Deque ArrayDeque LinkedList 
MapHashMap 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)

跟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 iteratorArrayList<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,下载地址。这里复制了一份。

参考文献

  • Collections Framework Overview
  • The For-Each Loop