Java编程那些事儿80——集合框架简述
陈跃峰
出自：http://blog.csdn.net/mailbomb
9.6.3 集合框架简述
在JDK API中专门设计了一组类，这组类的功能就是实现各种各样方式的数据存储，这样一组专门用来存储其它对象的类，一般被称为对象容器类，简称容器类，这组类和接口的设计结构也被统称为集合框架(Collection Framework)。
这组类和接口都包含在java.util包中。
为了使整个集合框架中的类便于使用，在设计集合框架时大量的使用接口，实际实现的功能类实现对应的接口，这样可以保证各个集合类的使用方式保持统一。
在集合框架中，提供的存储方式共有两种：
1、按照索引值操作数据
在这种存储方式中，为每个存储的数据设定一个索引值，存储在容器中的第一个元素索引值是0，第二个索引值是1，依次类推。在操作数据时按照索引值操作对应的数据，实现这种方式的集合类都实现java.util.Collection接口。
2、按照名称操作数据
在这种存储方式中，为每个存储的数据设定一个名称(任意非null的对象都可以作为名称)，以后按照该名称操作该数据，要求名称不能重复，每个名称对应唯一的一个值。这种存储数据的方式也称作名称-数值对，也就是名值对存储。实现这种方式的几个类都实现java.util.Map接口。
这里“按照索引值操作数据”的存储方式，又按照容器内部是否能够存储重复的元素，划分成两类：
1、允许存储重复元素。
这种存储方式中，所有的类都实现了java.util.List接口。
2、不允许存储重复元素。
这种存储方式中，所有的类都实现了java.util.Set接口。
这样，集合框架中的类就分成了三大类：
1、List系列
该系列中的类按照索引值来操作数据，允许存放重复的元素。
2、Set系列
该系列中的类按照索引值来操作数据，不允许存放重复的元素。
3、Map系列
该系列中的类按照名称来操作数据，名称不允许重复，值可以重复，一个名称对应一个唯一的值。
而在数据结构中，实现数据的存储又可以使用不同的数据结构类型进行存储，例如数组、链表、栈、队列和树等，则以上三类集合框架可以使用不同的数据结构类进行实现，使用每种数据结构则具备该中数据结构的特点。例如使用数组则访问速度快，使用链表则便于动态插入和删除等，这样就造成了集合框架的复杂性。
另外，在将对象存储到集合类中，为了加快存储的速度，要求被存储对象的类中必须覆盖equals方法和hashCode方法。
对于这些集合类，下面按照以上三个系列的顺序一一进行说明。
9.6.3.1 List系列
List系列的类均实现List接口，大部分的类都以List作为类名的后缀，也有部分该体系中的类命名比较特殊。
该系列中的类，比较常见的有ArrayList和LinkedList两个。其中ArrayList是以数组为基础实现的List，而LinkedList则是以链表为基础实现的List，ArrayList拥有数组的优点，而LinkedList拥有链表的优点。
由于该体系中的类均实现List接口，所以在这些类的内部，相同的功能方法声明是保持一致的，下面进行一一介绍：
a、add方法
boolean add(Object o)
该方法的作用是追加对象o到已有容器的末尾。
另外一个add方法：
void add(int index, Object element)
该方法的作用是将对象element插入到容器中索引值为index的位置，原来位于该位置的对象以及后续的内容将依次向后移动。
b、addAll方法
boolean addAll(Collection c)
该方法的作用是将容器对象c中的每个元素依次添加到当前容器的末尾。
另外一个addAll方法：
boolean addAll(int index, Collection c)
该方法的作用是将容器对象c中的第一个元素插入到当前容器中索引值为index的位置，第二个元素插入到当前容器中索引值为index+1的位置，依次类推。而当前容器中原来位于index以及index索引值以后的元素则依次向后移动。
c、get方法
Object get(int index)
该方法的作用是返回当前容器对象中索引值为index的元素的内容。
d、indexOf方法
int indexOf(Object o)
该方法的作用是查找当前容器中是否存在对象o，如果存在则返回该对象第一次出现位置的索引值，如果不存在则返回-1。
另外一个方法lastIndexOf则是从末尾向前查找，返回从末尾向前第一次出现位置的索引值，如果不存在则返回-1。
e、remove方法
Object remove(int index)
该方法的作用是删除索引值为index的对象的内容，如果删除成功则返回被删除对象的内容。
另外一个remove方法：
boolean remove(Object o)
该方法的作用是删除对象内容为o的元素，如果相同的对象有多个，则只删除索引值小的对象。如果删除成功则返回true，否则返回false。
无论使用哪一个remove方法，类内部都自动移动将被删除位置后续的所有元素向前移动，保证索引值的连续性。
f、set方法
Object set(int index, Object element)
该方法的作用是修改索引值为index的内容，将原来的内容修改成对象element的内容。
g、size方法
int size()
该方法的作用是返回当前容器中已经存储的有效元素的个数。
h、toArray方法
Object[] toArray()
该方法的作用是将当前容器中的元素按照顺序转换成一个Object数组。
下面是一个简单的以ArrayList类为基础实现的List系列中类基本使用的示例，代码如下：
import java.util.*;
/**
* 以ArrayList类为基础演示List系列类的基本使用
*/
public class ArrayListUse {
public static void main(String[] args) {
//容器对象的初始化
List list = new ArrayList();
//添加数据
list.add("1");
list.add("2");
list.add("3");
list.add("1");
list.add("1");
//插入数据
list.add(1,"12");
//修改数据
list.set(2, "a");
//删除数据
list.remove("1");
//遍历
int size = list.size(); //获得有效个数
//循环有效索引值
for(int i = 0;i < size;i++){
System.out.println((String)list.get(i));
}
}
}
该程序的运行结果为：
12
a
3
1
1
在List系列中，还包含了Stack(栈)类和Vector(向量)类，Stack类除了实现List系列的功能以外，还实现了栈的结构，主要实现了出栈的pop方法和入栈的push方法。
而Vector类由于需要兼容老版本JDK中缘故，所以在实现的方法中需要提供老版本Vector类中对应的方法，这样导致Vector类中相同或类似的功能方法一般是成对出现的。
9.6.3.2 Set系列
Set系列中的类都实现了Set接口，该系列中的类均以Set作为类名的后缀。该系列中的容器类，不允许存储重复的元素。也就是当容器中已经存储一个相同的元素时，无法实现添加一个完全相同的元素，也无法将已有的元素修改成和其它元素相同。
Set系列中类的这些特点，使得在某些特殊场合的使用比较适合。
该系列中常见的类有：
1、CopyOnWriteArraySet
以数组为基础实现的Set类。
2、HashSet
以哈希表为基础实现的Set类。
3、LinkedHashSet
以链表为基础实现的Set类。
4、TreeSet
以树为基础实现的Set类。
以不同的数据结构类型实现的Set类，拥有不同数据结构带来的特性，在实际使用时，根据逻辑的需要选择合适的Set类进行使用。
Set系列中的类的方法和List系列中的类的方法要比List系列中少很多，例如不支持插入和修改，而且对于Set系列中元素的遍历也需要转换为专门的Iterator(迭代器)对象才可以进行遍历，遍历时顺序和Set中存储的顺序会有所不同。
下面是以HashSet类为基础实现的示例代码，代码如下：
import java.util.*;
/**
* 以HashSet为基础演示Set系列类的基本使用
*/
public class HashSetUse {
public static void main(String[] args) {
//容器对象的初始化
Set set = new HashSet();
//添加元素
set.add("1");
set.add("2");
set.add("3");
set.add("1");
set.add("1");
//删除数据
//set.remove("1");
//遍历
Iterator iterator = set.iterator();
while(iterator.hasNext()){
System.out.println((String)iterator.next());
}
}
}
该程序的运行结果为：
3
2
1
9.6.3.3 Map系列
Map系列中的类都实现了Map接口，该系列中的部分类以Map作为类名的后缀。该系列容器类存储元素的方式和以上两种完全不同。
Map提供了一种使用“名称：值”这样的名称和数值对存储数据的方法，在该存储方式中，名称不可以重复，而不同的名称中可以存储相同的数值。具体这种存储的格式将在示例代码中进行实现。
在这种存储结构中，任何不为null的对象都可以作为一个名称(key)来作为存储的值(value)的标识，使用这种形式更利于存储比较零散的数据，也方便数据的查找和获得。Map类中存储的数据没有索引值，系统会以一定的形式索引存储的名称，从而提高读取数据时的速度。
该系列中常见的类有：
1、HashMap
以Hash(哈希表)为基础实现的Map类。
2、LinkedHashMap
以链表和Hash(哈希表)为基础实现的Map类。
3、TreeMap
以树为基础实现的Map类。
和上面的结构类似，以不同的数据结构实现的Map类，拥有不同数据结构的特点，在实际的项目中使用时，根据需要选择合适的即可。
该系列的类中常见的方法如下：
a、get方法
Object get(Object key)
该方法的作用是获得当前容器中名称为key的结构对应的值。
b、keySet方法
Set keySet()
该方法的作用是返回当前容器中所有的名称，将所有的名称以Set的形式返回。使用这个方法可以实现对于Map中所有元素的遍历。
c、put方法
Object put(Object key, Object value)
该方法的作用是将值value以名称key的形式存储到容器中。
d、putAll方法
void putAll(Map t)
该方法的作用是将Map对象t中的所有数据按照原来的格式存储到当前容器类中，相当于合并两个Map容器对象。
e、remove方法
Object remove(Object key)
该方法的作用是删除容器中名称为key的值。
f、size方法
int size()
该方法的作用是返回当前日期中存储的名称：值数据的组数。
g、values方法
Collection values()
该方法的作用是返回当前容器所有的值组成的集合，以Collection对象的形式返回。
下面是一个简单的示例，在该示例中演示Map系列类的基本使用，代码如下：
import java.util.*;
/**
* 以HashMap为基础演示Map系列中类的使用
*/
public class HashMapUse {
public static void main(String[] args) {
//容器对象的初始化
Map map = new HashMap();
//存储数据
map.put("苹果", "2.5");
map.put("桔子", "2.5");
map.put("香蕉", "3");
map.put("菠萝", "2");
//删除元素
map.remove("桔子");
//修改元素的值
map.put("菠萝", "5");
//获得元素个数
int size = map.size();
System.out.println("个数是：" + size);
//遍历Map
Set set = map.keySet();
Iterator iterator = set.iterator();
while(iterator.hasNext()){
//获得名称
String name = (String)iterator.next();
//获得数值
String value = (String)map.get(name);
//显示到控制台
System.out.println(name + ":" + value);
}
}
}
该程序的运行结果为：
个数是：3
香蕉:3
菠萝:5
苹果:2.5
9.6.3.4 使用示例
如前所述，集合框架中的类只是提供了一种数据存储的方式，在实际使用时，可以根据逻辑的需要选择合适的集合类进行使用。
下面以一个字符串计算的示例演示集合类的实际使用。
该程序的功能为计算一个数字字符串，例如”1+231-5”、”1230/34-450”等，的计算结果，在该示例中支持四则运算，但是不支持括号。本示例中计算的字符串要求合法。
该程序实现的原理是：首先按照运算符作为间隔，将字符串差分为数字字符串和运算符字符串的序列，由于分拆出的字符串数量不固定，所以存储到List系列的Vector容器中，然后按照运算符的优先级进行计算。
该程序的代码如下：
import java.util.*;
/**
* 计算字符串的值
*/
public class CalcStr {
public static void main(String[] args) {
String s = "1+20*3/5";
double d = calc(s);
System.out.println(d);
}
/**
* 计算字符串的值
* @param s 需要计算的字符串
* @return 计算结果
*/
public static double calc(String s){
//拆分字符串
Vector v = split(s);
//print(v); //测试代码
//计算字符串
double d = calcVector(v);
return d;
}
/**
* 将字符串拆分为数字和运算符。
* 例如："1+23*4"则拆分为："1"、"+"、"23"、"*"和"4"
* @param s 需要拆分的字符串
* @return 拆分以后的结果
*/
private static Vector split(String s){
Vector v = new Vector();
String content = "";
int len = s.length(); //字符串长度
char c;
for(int i = 0;i < len;i++){
c = s.charAt(i);
//判断是否为运算符
if(c == "+" ||
c == "-" ||
c == "*" ||
c == "/"){
//存储数字
v.add(content);
//存储运算符
v.add("" + c);
//清除已有字符串
content = "";
}else{
content += c; //连接字符串
}
}
v.add(content); //添加最后一个数字
return v;
}
/**
* 测试代码，输出拆分以后的结果
* @param v 需要打印的Vector对象
*/
private static void print(Vector v){
int size = v.size();
for(int i = 0;i < size;i++){
System.out.println((String)v.get(i));
}
}
/**
* 计算Vector中的数据
* @param v 存储拆分后字符串的Vector
* @return 计算结果
*/
private static double calcVector(Vector v){
int index1;
int index2;
//计算乘除
while(true){
index1 = v.indexOf("*"); //乘号索引值
index2 = v.indexOf("/"); //除号索引值
//无乘除符号
if(index1 == - 1 && index2 == -1){
break; //结束循环
}
//如果有乘号
if(index1 != -1){
//没有除号或乘号在前
if(index2 == -1 || index1 < index2){
String s1 = (String)v.get(index1 - 1); //第一个数字
String opr = (String)v.get(index1); //运算符
String s2 = (String)v.get(index1 + 1); //第二个数字
//计算
String answer = calc(s1,s2,opr);
//计算以后的处理
handle(answer,index1 - 1,v);
}
}
//有除号
if(index2 != -1){
//没有乘号或除号在前
if(index1 == -1 || index2 < index1){
String s1 = (String)v.get(index2 - 1); //第一个数字
String opr = (String)v.get(index2); //运算符
String s2 = (String)v.get(index2 + 1); //第二个数字
//计算
String answer = calc(s1,s2,opr);
//计算以后的处理
handle(answer,index2 - 1,v);
}
}
}
//计算加
int index3 = v.indexOf("+");
while(index3 != -1){ //有加号
String s1 = (String)v.get(index3 - 1); //第一个数字
String opr = (String)v.get(index3); //运算符
String s2 = (String)v.get(index3 + 1); //第二个数字
//计算
String answer = calc(s1,s2,opr);
//计算以后的处理
handle(answer,index3 - 1,v);
//获得下一个加号的位置
index3 = v.indexOf("+");
}
//计算减
index3 = v.indexOf("-");
while(index3 != -1){ //有加号
String s1 = (String)v.get(index3 - 1); //第一个数字
String opr = (String)v.get(index3); //运算符
String s2 = (String)v.get(index3 + 1); //第二个数字
//计算
String answer = calc(s1,s2,opr);
//计算以后的处理
handle(answer,index3 - 1,v);
//获得下一个减号的位置
index3 = v.indexOf("-");
}
//反馈结果
String data = (String)v.get(0);
return Double.parseDouble(data);
}
/**
* 计算两个字符串类型的值运算结果
* @param number1 数字1
* @param number2 数字2
* @param opr 运算符
* @return 运算结果
*/
private static String calc(String number1,String number2,String opr){
//将字符串转换为数字
double d1 = Double.parseDouble(number1);
double d2 = Double.parseDouble(number2);
//判断运算符
if(opr.equals("+")){
return "" + (d1 + d2);
}
if(opr.equals("-")){
return "" + (d1 - d2);
}
if(opr.equals("*")){
return "" + (d1 * d2);
}
if(opr.equals("/")){
return "" + (d1 / d2);
}
return "0"; //运算符错误时返回0
}
/**
* 计算以后的处理
* @param answer 计算结果
* @param index 参与计算的三个字符串中第一个字符串的起始位置
* @param v 存储字符串的容器
*/
private static void handle(String answer,int index,Vector v){
//删除计算过的字符串
for(int i = 0;i < 3;i++){
v.remove(index);
}
//将计算结果插入到index位置
v.insertElementAt(answer, index);
}
}
该程序的运行结果为：
13.0
9.7 总结
在本章中，主要介绍了java.lang包和java.util包中比较常见的类的使用，熟悉了JDK API的基本使用，掌握了文档的查阅以及方法调用等一些基本的技能，为后续章节的学习打下坚实的基础。