黑马程序员——集合框架1：体系框架

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1.     集合类概述

1.1 集合类的意义

       通常我们在编写Java代码的时候，会创建一些对象，通过调用对象的方法和数据（成员变量）来实现一些功能。在有些情况下，我们需要创建大量的的对象，为了提高代码的阅读性，并且不至于出现逻辑上的混乱，我们就需要一个用于存储对象的容器，方便对这些对象的管理和调用，这时集合类也就应运而生了。集合类实例对象的最大功能，就是用于存储其他对象（准确的说是其他对象的引用）。

1.2 集合类相对数组的优势

       可能有朋友会说，数组也可以存储对象。但是，数组相对集合类有以下几点不足：

(1)    数组是不可变长度容器，集合是可变长度容器。这一点是集合类相对数组最大的优势，因为通常情况下，一开始我们并不知道运行某段代码具体需要创建多少个对象，而数组的固定长度，大大限制了代码的灵活性。

(2)    数组只能存储某一类对象，而集合可以存储多种类型的对象；

(3)    数组的功能比较单一，无法实现较为复杂的功能；而集合类分为好几种，每一种的功能侧重点不同，并且每一种都对外提供了丰富的方法，通过这些方法的组合，可以实现非常复杂的操作。

基于上述几点优势，集合的使用范围更为广泛，但是数组也可以帮助我们实现一些简单的功能的。

2.     集合类的体系——集合框架

       上面说到集合类按照功能侧重点的不同分为好几种，将功能相似的集合类向上抽取出几个父类，再将这些父类的共性抽取出来，定义一个根父类，我们就将这一体系称为集合框架。而在这一体系中，不同集合类之间的区别就是他们存储对象的方式不同，这种方式称为数据结构，也就是说不同集合类的底层数据结构不同，而不同的数据结构虽然都可以用于存储数据，但是各有各的特点。下图表示的就是集合框架中常用的一些类（接口）及其继承关系。

 

        上图中圆角方框表示一个接口或者类，虚线方框表示接口，实线方框表示可以创建对象的类，向上的箭头表示继承或者实现的关系，而粗黑框表示的类是我们要中点掌握的类。我们看到处于最顶层位置的Collection就是根父类（实际是接口，这里仅为表达，下同），该接口中定义了集合框架中所有类及接口的共性特征。Collection接口下又按照主要功能的不同派生出很多子接口，而呈现在上图中的List和Set分支是其中最常用的。在List和Set分支下面有更多的实现子类，而这些实线子类正是我们日后常用的用于存储对象容器类。

3.     集合框架顶层父类——Collection

3.1       Collection接口概述

我们曾经在讨论面向对象第二大特征继承的时候说到，通过根父类去快速了解一个继承体系，而创建子类实例对象去实现具体的功能。这是因为，通常顶层父类就是用于对这一大类事物的描述和功能的定义，也就是说是一个抽象类（或者接口，我们马上就要说到），无法创建实例对象，而子类会具体实现父类的方法。

那么对于集合框架来说，顶层根父类称为Collection，单词本意就是收集、集合的意思，该类在Java标准类库的位置为java.util（util意思是工具）。通过API文档可以了解到，Collection是一个接口，也就是说该接口的所有方法均是抽象的，并且没有对外提供公有构造方法。下面我们就通过API文档来学习该接口的方法，也是其实现子类的方法。这里我们需要提一句，既然，集合框架中的大部分类是容器类，那么这些类的大部分方法我们同样可以分为增（添加）、删（删除）、改（替换）、查（获取）四大类，这与我们前面介绍的StringBuffer类和StringBuilder是类似的。

3.2       Collection接口方法简介

添加：

boolean add(E e)：将指定E类对象添加至容器中，使该对象成为该容器中的元素。大家可能会对E表示的类类型感到疑惑。Collection接口API文档中，Collecion接口名后有一个“<E>”的声明，这个声明涉及到泛型的知识，需要我们后面介绍，目前大家只需要把E理解为Object类即可。

booleanaddAll(Collection<?extends E> c)：向该容器中添加指定容器对象c中的所有元素。

删除：

void clear()：清除该容器中的所有对象。

booleanremove(Objecto)：移除容器中的指定元素。

booleanremoveAll(Collection<?>c)：移除该容器中同样包含在容器对象c中的元素。

判断：

booleancontains(Object o)：判断指定对象是否包含在该容器中。

booleancontainsAll(Collection<?>c)：判断该容器中是否包含指定容器总所有元素。

booleanisEmpty()：判断集合中是否包含任意元素。

booleanretainAll(Collection<?>c)：仅保留该容器中哪些同样包含在指定容器对象中的元素。可以简单理解为取两个容器的交集。

其他：

int size()：获取该容器对象的元素的数量。实际上isEmpty方法就是判断size方法的返回值是否为0。

Object[] toArray()：将该容器中的对象元素存储到一个数组中，并返回该数组。

获取：

Iterator<E>iterator()：该方法专门用于从容器中获取数据，后面会重点介绍。

 

这里我们要说明两点：

(a)    所有从Object类继承来的方法这里不再介绍。

(b)    虽然，实际开发时从来不使用Collection接口，但是了解了该接口的方法，也就大体了解了集合框架中类的共性内容，有助于我们可以快速掌握其他实现子类。

3.3       Collection实现类——ArrayList方法代码演示

介绍完父接口的共性方法，下面我们通过一个实现子类——ArrayList——来演示这些方法的使用。首先演示，除获取元素以外的其他基本方法，而获取元素方法因其操作的特殊性，将单独开辟一节来进行介绍。

这里我们需要事先声明一点，虽然我们介绍的是ArrayList这个类的一些方法，但是这并不代表我们专门在讲解该类的特点，只不过是因为Collection作为接口，无法创建实例对象，因此从众多Collection实现子类中任意挑选出一个类，来介绍所有集合类的共性方法，而ArrayList类及其他集合类的各自的特性，比如底层的数据结构，将在后面一一讲解。

 

添加元素：

代码1：

//我们要使用的集合类在Java标准类库中的位置为java.util，所以一定记得导包

import java.util.*; classCollectionDemo{public static void main(String[] args){//创建一个ArrayList集合容器对象，该类是Collection父接口的实现子类ArrayList al = new ArrayList(); //1.添加元素al.add("HelloWorld!");//添加一个字符串对象al.add(newInteger(50));//添加一个Integer对象al.add(newObject());//添加一个Object对象 //2.获取该集合的长度System.out.println("size= "+al.size()); //3.顺序打印集合中的元素对象System.out.println(al);}}

运行结果为：

size = 3

[Hello World!, 50, java.lang.Object@175078b]

 

在编译上述代码1时，会有如下提示：

注: CollectionDemo.java使用了未经检查或不安全的操作。

注: 有关详细信息, 请使用 -Xlint:unchecked重新编译。

该提示的内容同样涉及到泛型的知识，我们将在后面的部分中介绍，这里大家只要理解为上面代码有安全隐患即可，编译器希望我们能够解决这个安全隐患，如果没有解决就是给出如上提示，但是允许编译通过。

       针对上述代码1，我们要进行两点说明：

第一点，我们向ArrayList容器中添加了三种不同类型的对象，并且通过编译成功运行。那么这也就是为什么我们可以将add方法的参数列表中的E类型理解为Object的原因了。无论我们向add方法传递什么类型的对象，都可以通过多态的方式，当做Object对象接收。

第二点，我们提出一个这样的问题：当通过add方法向ArrayList容器对象中存储其他对象时，容器中真正存储的是对象本身还是对象的引用，或者说是对象的地址值呢？大家可以回想一下我们曾经在《面向对象9：对象的初始化&方法的调用》中讲到过，对象在创建的时候，会在堆内存中开辟一块空间用于存储对象的特有数据，换句话说，每个对象“实体”都是互相独立地存储在堆内存中，容器对象也不例外，因此容器内真正存储的并非是元素对象实体，而是元素对象的地址值。试想，如果真的为了在实际意义上将元素对象“实体”存储到容器中，而在堆内存中移动对象所在的地址，是非常麻烦的。

第三点，集合与数组不同，如果直接打印集合对象，将会自动顺序打印容器内的元素。String对象和Integer对象会直接打印对象的内容，而Object对象还是通过toString方法打印对象的哈希值。

 

删除元素：

代码2：

import java.util.*; class CollectionDemo2{public static void main(String[] args){ArrayList al = new ArrayList(); String str = "Hello World!";Integer in = new Integer(100);Object obj = new Object();al.add(str);al.add(in);al.add(obj); printInfo(al); //删除单个元素al.remove(str); printInfo(al); //清空集合al.clear(); printInfo(al);}//将打印集合长度、集合中的元素等动作封装为一个方法public static void printInfo(ArrayList al){System.out.println(al);System.out.println("size= "+al.size());System.out.println();}}

运行结果为：

[Hello World!, 100, java.lang.Object@1db9742]

size = 3

 

[100, java.lang.Object@1db9742]

size = 2

 

[]

size = 0

从上述运行结果的第三部分，我们可以看出，通过clear方法将集合清空以后，集合内就不再包含任何元素了。

 

判断：

代码3：

import java.util.*; class CollectionDemo3{public static void main(String[] args){ArrayList al = new ArrayList(); String str = "Hello World!";Integer in = new Integer(100);Object obj = new Object();al.add(str);al.add(in);al.add(obj); //判断Integer对象是否存在于集合中System.out.println("Integer对象是否存在："+al.contains(in));//判断集合是否为空System.out.println("集合是否为空："+al.isEmpty());}}

运行结果为：

Integer对象是否存在：true

集合是否为空：false

 

取交集：

代码4：

import java.util.*; class CollectionDemo4{public static void main(String[] args){ArrayList al1 = new ArrayList();al1.add("Element1");al1.add("Element2");al1.add("Element3"); ArrayList al2 = new ArrayList();al2.add("Element2");al2.add("Element3");al2.add("Element4"); //仅保留al1集合中同样也包含在al2中的元素，简单那说就是取交集al1.retainAll(al2); System.out.println(al1);System.out.println(al2);}}

运行结果为：

[Element2, Element3]

[Element2, Element3, Element4]

从上述运行结果来看，在调用retain方法以后，集合al1中仅保留了同样包含在al2中的元素Element2和Element3。如果两个集合中没有相同的元素，那么al1中将不包含任何元素。

       除了上述提到的几个方法以外，诸如addAll、containsAll、removeAll等方法不再作具体演示，使用方法与操作单个元素类似，只不过传递的参数是集合对象，希望大家自行尝试。

3.4       获取集合中元素的通用方法

(1)    获取集合中的元素

       在前面的内容中，我们介绍了向集合中添加元素、删除元素、判断元素、获取集合的长度、打印集合中元素等方法，而唯独没有介绍如何获取集合中的元素。这是因为获取集合中的元素需要一个专门的“工具”，下面就向大家介绍如何通过这个“工具”获取集合中的元素。

       Collection接口API文档方法摘要这一栏中有如下这么一个方法：

Iterator<E>iterator()：返回在此collection的元素上进行迭代的迭代器。该方法的返回值类型为Iterator<E>，这就是迭代器，用于获取集合中元素的“工具”。

       那么我们接着去查阅Iterator的API文档可知，这是一个接口，方法摘要中有三个方法：

booleanhasNext()：如果仍有元素可以迭代，则返回true。该接口中定义了一个指针，按照某个顺序获取到一个元素以后，指针就指向下一个元素，那么该方法就会判断下一个元素是否存在。

E next()：按照某个顺序，返回集合中的下一个元素，同时指针指向下一个元素。

void remove()：从该迭代器指向的集合对象中，移除该迭代器返回的最后一个元素。

下面我们将ArrayList和Iterator接口结合起来演示如何获取集合中的元素。

代码演示，

代码5：

import java.util.*; class CollectionDemo5{public static void main(String[] args){ArrayList al = new ArrayList(); //为了掩饰方便这里我们仅添加字符串对象元素al.add("Strng1");al.add("Strng2");al.add("Strng3"); //通过iterator方法获取到该ArrayList集合对象的迭代器对象Iterator it = al.iterator();             /*开启一个while循环将hasNext返回值作为循环结束条件循环获取集合中的元素，直到没有元素可取*/while(it.hasNext()){//通过next方法获取到集合中的下一个元素，并打印System.out.println(it.next());}}}

运行结果为：

Strng1

Strng2

Strng3

仅从运行结果来看，似乎与直接打印集合对象的结果没有什么区别，都可以将集合中的元素按顺序打印在控制台。但是，通过迭代器的方式，我们可以获取集合中的元素对象，并操作这些对象，这是最大区别。

       这里需要大家注意的是：利用迭代器，并通过循环遍历集合中元素的过程中，每次循环只能调用一次next方法获取一个元素，相反，如果在一次循环中，重复调用next，可能会发生NoSuchElementException异常，例如下面的代码，

代码6：

import java.util.*; class CollectionDemo6{public static void main(String[] args){ArrayList al = new ArrayList(); al.add("String1");al.add("String2");al.add("String3");al.add("String4");al.add("String5"); Iteratorit = al.iterator();while(it.hasNext()){//一次获取两个元素System.out.println(it.next()+"......"+it.next());}}}

运行结果为：

String1......String2

String3......String4

Exception in thread "main"java.util.NoSuchElementException

atjava.util.ArrayList$Itr.next(ArrayList.java:839)

at test13.ArrayListDemo.main(ArrayListDemo.java:21)

上述代码在元素数量为偶数时是可以正常运行的，但是如果元素数量为奇数，最后一次循环获取第二个元素时，就会抛出NoSuchElementException异常，这是因为最后一次判断hasNext方法时，“String4”后面确实有“String5”元素，循环可以正常执行，但是第一次调用next方法获取完“String5”以后，再次调用next方法就会出现问题——后面没有元素可取了。所以大家要注意，在无法明确元素数量时，要尽可能保证，判断一次hasNext，就调用一次next获取一个元素。

       此外，对上述代码进行如下改进，可以进一步优化内存，

代码7：

//仅呈现迭代器部分代码for(Iterator it = al.iterator();it.hasNext(); ){       System.out.println(it.next());}

在第一个分号前初始化一个迭代器对象，第二个分号前定义循环结束条件，第二个分号后代码缺省。这样书写代码不仅简化了书写，而且有效控制了迭代器对象（Iterator对象）的生命周期——for循环一结束迭代器对象也将消失，不再占用内存，起到内存优化的作用，建议大家使用。

(2)    迭代器

       对于迭代器，大家可能会对“迭代”两个字感到疑惑，但目前不必去深究这个称呼的由来，大家只要知道迭代器是用于从容器中获取元素的工具即可。

那么为什么要煞费苦心的通过一个对象去完成取出元素的动作，而不是通过一个方法呢？这是因为，集合类有多种多样，正像上文提到的那样，这些集合类之间最大的区别就在于，底层应用的数据结构不同，那么对应的获取元素的动作也会有区别，有些集合获取元素的方式可能非常复杂，每次从头定义一些方法去实现这个动作是非常麻烦的，因此Java语言工程师们，就定义了Iterator这样一个接口，并在每种集合类内部定义一个实现Iterator接口的内部类，专门用于从该种集合中获取元素，虽然都是Iterator接口的实现子类，但是底层实现的原理随不同的集合类而不同，而这种不同就体现在next方法、hasNext方法以及remove方法的实现原理上。因为每个集合类的迭代器都实现了Iterator接口，所以无论哪种集合类对象通过iterator方法返回的迭代器对象，都可以通过Iterator类型变量接收，非常的方便。

另外，如果有朋友对为什么要将迭代器类定义为内部类有疑惑的话，其实可以这样理解：既然元素都是存储在容器的内部，那么存在于该容器内部，并专为该容器设计的工具，将会更为方便而恰当地获取到元素。希望下面这个图可以帮助大家理解，迭代器的定义原理。

 

虚线框表示某种集合类，而其内部的实现框表示迭代器类，向上的箭头表示与外部接口Iterator的实现关系。通过这样的设计，即使日后新定义了一个集合类，只要使其内部的迭代器类实现统一的规则——Iterator接口，并复写其中的三个方法，就可以使用相同的代码，从不同的集合中取出元素。

       在这里请允许我引用毕老师的经典比喻，因为这个比喻太过经典，因此，我必须再次强调。很多朋友都去过电玩城，电玩城里面一般都会有这样一种游戏：投币抓玩偶。玩偶都是存放在一个透明塑料容器中，就相当于一个集合；里面的玩偶就相当于一个个元素；而安装在容器内用于抓玩偶的夹子就相当于迭代器。玩家通过容器对外提供的夹子，来抓取玩偶。

       有兴趣的朋友可以去查阅AbstractList类的源代码（该类是ArrayList类的父类，ArrayList类的iterator方法就是从这个类继承而来）。源代码中定义了一个名为Itr的内部类，该类实现了Iterator接口，并复写了next、hasNext以及remove方法。而在AbstractList类iterator方法中返回了Itr对象，也是迭代器对象。