Java集合类

Java集合类是一种特别有用的工具类，可用于存储数量不等的对象，并可实现常用的数据结构，如栈、队列等。除此之外，Java集合还可用于保存具有映射关系的关联数组。

Java集合大致可以分为Set、List、Map和Queue四种体系。
其中Set代表无序、不可重复的集合；
List 代表有序、可重复的集合；
Map 代表具有映射关系的集合；
Java 5又增加了Queue体系集合，代表一种队列集合的实现。

Java集合就像一种容器，可以把多个对象（实际上是对象的引用）“丢进”容器中。在Java 5之前，Java集合会丢失容器中所有对象的数据类型，把所有对象当成Object类型处理；从Java 5增加了泛型以后，Java 集合可以记住容器中对象的数据类型，从而可以编写出更简洁、更健壮的代码。

一、Java集合概述

在编程时，常常需要集中存放多个数据。可以使用数组来保存多个对象，但数组长度不可变化，一旦在初始化数组时指定了数组长度，这个数组长度就是不可变的，如果要保存数量可变的数据，数组就有点无能为力了；而且数组无法保存具有映射关系的数据，如成绩表：语文-90 ，数学-80。

为了保存数量不确定的数据，以及保存具有映射关系的数据（也被称为关联数组），Java提供了集合类，集合类主要负责保存、盛装其他数据。因此集合类也被称为容器类。所有集合类都位于java.util包下，后来为了处理多线程环境下并发安全问题，Java 5还在java.util.concurrent包下提供了一些多线程支持的集合类。

集合类和数组不一样，数组元素既可以是基本类型的值，也可以是对象；
而集合里只能保存对象。

Java的集合类主要由两个接口派生而出：Collection和Map，Collection和Map是Java集合框架的根接口，这两个接口又包含了一些子接口或实现类。

Set和List接口是Collection接口派生出的两个子接口，它们分别代表了无序集合和有序集合；Queue是Java提供的队列实现，有点类似于List。

所有的Map实现类用于保存具有映射关系的数据，Map接口有众多实现类，这些实现类在功能、用法上存在一定差异，但它们都有一个功能特征：Map保存的每项数据都是key-value对。key是不可重复的。

根据这4个接口，可以把Java所有集合分成三类，
其中Set集合类似于一个罐子，把一个对象添加到Set集合时，Set集合无法记住这个元素的顺序，所以Set里的元素不能重复（否则系统无法准确识别这个因素），
List集合非常像一个数组，它可以记住每次添加元素的顺序，且List的长度可变。
Map集合也像一个罐子，只是它里面的每项数据都由两个值组成。

如果访问List集合里的元素，可以直接根据索引来访问；
如果访问Map集合里的元素，可以根据key来访问其value；
如果访问Set集合里的元素，则只能根据元素本身来访问（这也是Set集合元素不允许重复的原因）。

二、Collection和Iterator接口

Collection是List、Set和Queue接口的父接口。该接口里定义的方法可用于操作Set集合，也可以用于操作List和Queue集合。Collection接口定义了如下操作集合元素的方法。

• boolean add(Object o):用于向集合里添加一个元素
• boolean addAll(Collection c)：该方法把集合c里所有元素添加到指定集合中。
• void clear()：清楚集合里所有元素，将集合变为0。
• boolean contains(Object o)
• boolean containsAll(Collection c)
• boolean isEmpty()
• boolean remove()
• boolean removeAll()
• Iterator iterator()：返回一个Iterator对象，用于遍历集合里的元素
• int size()：该方法返回集合里的元素
• Object[] toArray()：该方法把集合转换成一个数组，所有集合元素变成数组元素。

下面程序示范了如何通过上面的方法来操作Collection集合里的元素。

public class CollectionTest {    public static void main(String[] args) {        Collection c = new ArrayList();        //添加元素        c.add("张三");        //虽然集合不能放节本类型的值，但Java支持自动装箱        c.add(6);        System.out.println("c的集合元素个数为:" + c.size());//输出2        //删除指定元素        c.remove(6);        System.out.println("c的集合元素个数为:" + c.size());//输出1        //判断是否包含指定字符串        System.out.println("c集合是否包含\"张三\"字符串:" +                 c.contains("张三"));//输出true        c.add("高等数学");        System.out.println("c集合的元素:" + c);        Collection books = new HashSet();        books.add("高等数学");        books.add("通信原理");        System.out.println("c集合是否完全包含books集合?" +                 c.containsAll(books));//输出false        //用c集合减去books集合里的元素        c.removeAll(books);        System.out.println("c集合里的元素:" + c);        //删除c里面的所有元素        c.clear();        System.out.println("c集合的元素" + c);        //控制books集合里只剩下c集合里也包含的元素        books.retainAll(c);        System.out.println("books集合的元素:"+books);    }}

上面程序创建了两个Collection对象，一个是c集合，一个是books集合，其中c集合是ArrayList，而books集合是HashSet。虽然它们使用的实现类不同，但把它们当成Collection来使用时，使用add、remove、clear等方法来操作集合元素时没有任何区别。

当使用System.out的println()方法来输出集合对象时，将输出[ele1,ele2 ,…]的形式，这显然是因为所有的Collection实现类都重写了toString()方法，该方法可以一次性地输出集合中的元素。

如果想依次访问集合里的每一元素，则需要使用某种方式遍历集合元素，下面介绍遍历结合元素的两种方法。

注意：在传统模式下，也就是刚刚我们使用的方式，把一个对象“丢进”集合中后，集合会忘记这个对象的类型——也就是说，系统把所有的集合元素都当成Object类型。从JDK1.5以后，这种状态得到了改进，可以使用泛型来限制集合里的元素的类型。

1.使用Lambda表达式遍历集合

Java 8为Iterable接口新增了一个forEach(Consumer action)默认方法，该方法所需参数的类型是一个函数式接口，而Iterable接口是Collection接口的父接口，因此Collection集合也可直接调用该方法。

当程序调用Iterable的forEach(Consumer action)遍历集合元素时，程序会一次将集合元素传给Consumer的accept(T t)方法（该接口中唯一的抽象方法）。正因为Consumer是函数式接口，因此可以使用Lambda表达式来遍历集合元素。

下面程序示范了使用Lambda表达式来遍历集合元素。

public class CollectionEach {    public static void main(String[] args) {        //创建一个集合        Collection books = new HashSet();        books.add("高等数学");        books.add("大学物理");        books.add("概率论与数理统计");        //调用forEach()方法遍历集合        books.forEach(obj -> System.out.println(obj));    }}

上面程序中的粗体字代码调用了Iterable的forEach()默认方法来遍历集合元素，传给该方法的参数是一个Lambda表达式，该Lambda表达式的目标类型是Comsumer。forEach()方法会自动将集合元素逐个传给Lambda表达式的形参，这样Lambda表达式的代码体即可遍历到集合元素了。

2.使用Java 8增强的Iterator遍历集合元素

Iterator接口也是Java集合框架的成员，但它与Collection系列、Map系列的集合不一样，Collection系列、Map系列主要用于盛装其他对象，而Iterator主要用于遍历（即迭代访问）Collection集合中的元素，Iterator也被称为迭代器。

Iterator接口隐藏了各种Collection实现类的底层细节，向应用程序提供了遍历Collection集合元素的统一编程接口。Iterator接口里定义了如下4个方法。

• boolean hasNext()：如果被迭代的集合元素还没有被遍历完，则返回true
• Object next()：返回集合里下一个元素
• void remove()：删除集合里的下一个元素
• void forEachRemaining(Consumer action)，这是Java 8为Iterator新增的默认方法，该方法可使用Lambda表达式来遍历元素。

下面程序示范了提供Iterator接口来遍历集合元素。

public class IteratorTest{    public static void main(String[] args) {        //创建一个集合        Collection books = new HashSet();        books.add("高等数学");        books.add("大学物理");        books.add("概率论与数理统计");        //获取books集合的Iterator        Iterator it = books.iterator();        while(it.hasNext())        {            //it.next()方法返回的数据类型是Object类型            //因此需要强制类型转换            String book = (String)it.next();            System.out.println(book);            if(book == "大学物理")            {                //从集合中删除上一次next()方法返回的元素                it.remove();            }            //对book遍历赋值，不会改变集合元素本身            book = "测试字符串";//①        }        System.out.println(books);    }}

从上面代码可以看出，Iterator仅用于遍历集合，Iterator本身并不提供盛装对象的能力。如果要创建Iterator对象，则必须有一个被迭代的集合。没有集合的Iterator仿佛无本之木，没有存在的价值。

注意：
Iterator必须依附于Collection对象，若有一个Iterator对象，则必然有一个与之关联的Collcection对象。Iterator提供了两个方法来迭代访问Collection集合里的元素，并可通过remove()方法来删除集合中上一次next()返回的集合元素。

上面程序中①处代码对迭代变量book进行赋值，但再次输出books集合时，会看到集合里元素没有任何改变。这就可以得到一个结论：当使用Iterator对集合进行迭代时，Iterator并不是把集合元素本身传给迭代变量，而是把集合元素的值传给了迭代变量，所以修改迭代变量的值没有任何意义。

当使用Iterator迭代访问Collection集合元素时，Collection集合里的元素不能被改变，只有通过Iterator()方法删除上一次next()方法返回的集合元素才可以；否则将会引发java.util.ConcurrentModificationException异常。

public class IteratorErrorTest{    public static void main(String[] args)    {        //创建一个集合        Collection books = new HashSet();        books.add("高等数学");        books.add("大学物理");        books.add("概率论与数理统计");        //获取books集合的Iterator        Iterator it = books.iterator();        while(it.hasNext())        {            //it.next()方法返回的数据类型是Object类型            //因此需要强制类型转换            String book = (String)it.next();            System.out.println(book);            if(book == "大学物理")            {                //疏通Iterator迭代过程中，不可修改集合元素                //下面代码引发异常                books.remove(book);//①            }        }        System.out.println(books);    }}

上面①号代码位于Iterator迭代块内，也就是Iterator迭代Collection集合过程中修改了Collection集合，所以程序将在运行时引发异常。

Iterator迭代器采用的是快速失败(fast-fail)机制，一旦在迭代过程中检测到该集合已经被修改（通长是程序中的其他线程修改），程序立刻引发ConcurrentModificationException异常，而不是修改后的结果，这样可以避免共享资源而引发的潜在问题。

注意：如果改为删除”高等数学”字符串，则不会引发异常。实际上这是一种危险的行为：对于HashSet以及后面的ArrayList等，迭代删除元素都会导致异常——只有在删除集合中特定元素时才不会抛出异常，这是由集合类的实现代码决定的，我们不应该这样做。

3.使用Lambda表达式遍历Iterator

Java 8为Iterator新增了一个forEachRemaining(Consumer action)方法，该方法所需的Consumer参数同样也是函数式接口。

下面示范使用Lambda表达式来遍历集合元素。

public class IteratorEach{    public static void main(String[] args)    {        //创建一个集合        Collection books = new HashSet();        books.add("高等数学");        books.add("大学物理");        books.add("概率论与数理统计");        //获取books集合的Iterator        Iterator it = books.iterator();        //使用Lambda表达式来遍历集合元素        it.forEachRemaining(obj -> System.out.println(obj));    }}

4.使用foreach循环遍历集合元素

除了使用Iterator接口迭代访问Collection集合里的元素之外，使用Java 5提供的foreach循环迭代访问集合元素更加便捷，如下使用了foreach循环来迭代访问集合元素。

public class ForeachTest{    public static void main(String[] args)    {        //创建一个集合        Collection books = new HashSet();        books.add("高等数学");        books.add("大学物理");        books.add("概率论与数理统计");        //使用foreach循环来迭代访问集合元素        for(Object obj : books)        {            //此处的book变量也比集合元素本身            String book = (String)obj;            System.out.println(book);            if(book.equals("大学物理"))            {                //下面会引发ConcurrentModification异常                books.remove(book);//①            }           }        System.out.println(books);    }}

上面代码使用foreach循环来迭代访问Collection集合里的元素更加简洁，这正是JDK1.5的foreach循环带来的优势。与使用Iterator接口迭代访问集合元素类似的，foreach循环中的迭代变量也不是集合元素本身，系统只是依次把集合元素的值赋给迭代变量。

同样，使用foreach循环迭代访问元素时，该集合也不能被改变，否则会引发异常。所以上面代码①处引发异常。