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【集合框架】Java集合框架综述

2022年09月16日 16:13:20Java技术6

一、前言

  现笔者打算做关于Java集合框架的教程,具体是打算分析Java源码,因为平时在写程序的过程中用Java集合特别频繁,但是对于里面一些具体的原理还没有进行很好的梳理,所以拟从源码的角度去熟悉梳理具体类的原理和其中的数据结构。分析源码的好处总结如下三条:

  1. 提升自身代码水平及写代码能力。

  2. 可以顺带温习数据结构知识点。

  3. 以后写代码遇到问题时能够找到最佳的解决办法

二、集合框架图

  做一件事情时,首先一定要有做事情的总体方法,然后再去抠细节。我们肯定要来看看集合的总体框架图,也好对集合框架有一个很感性的认识。下图展示了Java整个集合框架(没有包括并发),如果不出意外的话,以后也会出并发方面的专题分析,我们从表及里,由浅入深,慢慢来。

  【集合框架】Java集合框架综述 _ JavaClub全栈架构师技术笔记

  说明:对于以上的框架图有如下几点说明

  1. 集合接口:6个接口(短虚线表示),表示不同集合类型,是集合框架的基础。
  2. 抽象类:5个抽象类(长虚线表示),对集合接口的部分实现。可扩展为自定义集合类。
  3. 实现类:8个实现类(实线表示),对接口的具体实现。
  4. Collection 接口是一组允许重复的对象。
  5. Set 接口继承 Collection,集合元素不重复。
  6. List 接口继承 Collection,允许重复,维护元素插入顺序。
  7. Map接口是键-值对象,与Collection接口没有什么关系。

三、接口说明

  3.1. Collection接口

  除了Map接口,其他集合都是Collection的子类,并且在我们的实际编程中,由于多态的原因,我们一般都会使用这个的编码方式,如:Inter i1 = new ImplementInter();(其中,Inter表示一个接口,ImplementInter表示对此接口的实现),此时i1调用的方法只能是Inter接口中的方法,无法调用ImplementInter中新增的方法(除非进行向下类型转化)。所以,很有必要了解一下Collection根接口中都有哪些方法。

【集合框架】Java集合框架综述 _ JavaClub全栈架构师技术笔记
public interface Collection<E> extends Iterable<E> {
    int size();
    boolean isEmpty();
    boolean contains(Object o);
    Iterator<E> iterator();
    Object[] toArray();
    <T> T[] toArray(T[] a);
    boolean add(E e);
    boolean remove(Object o);
    boolean containsAll(Collection<?> c);
    boolean addAll(Collection<? extends E> c);
    boolean removeAll(Collection<?> c);
    boolean retainAll(Collection<?> c);
    void clear();
    boolean equals(Object o);
    int hashCode();

    // jdk1.8添加的方法
    default boolean removeIf(Predicate<? super E> filter) {
        Objects.requireNonNull(filter);
        boolean removed = false;
        final Iterator<E> each = iterator();
        while (each.hasNext()) {
            if (filter.test(each.next())) {
                each.remove();
                removed = true;
            }
        }
        return removed;
    }
    @Override
    default Spliterator<E> spliterator() {
        return Spliterators.spliterator(this, 0);
    }
    default Stream<E> stream() {
        return StreamSupport.stream(spliterator(), false);
    }
    default Stream<E> parallelStream() {
        return StreamSupport.stream(spliterator(), true);
    }
}
View Code

说明:

  1. 其中在jdk1.8后添加的方法对我们的分析不会产生影响,添加的方法有关键字default修饰,为缺省方法,是一个新特性。

  2. 对集合而言,都会包含添加、删除、判断、清空、大小等基本操作。

  3.2. Map接口

  对于Map接口而言,是键值对集合,特别适用于那种情形,一个主属性,另外一个副属性(如:姓名,性别;leesf,男),添加元素时,若存在相同的键,则会用新值代替旧值。方法如下 

【集合框架】Java集合框架综述 _ JavaClub全栈架构师技术笔记
public interface Map<K,V> {
    int size();
    boolean isEmpty();
    boolean containsKey(Object key);
    boolean containsValue(Object value);
    V get(Object key);
    V put(K key, V value);
    V remove(Object key);
    void putAll(Map<? extends K, ? extends V> m);
    void clear();
    Set<K> keySet();
    Collection<V> values();
    Set<Map.Entry<K, V>> entrySet();
    interface Entry<K,V> {
        K getKey();
        V getValue();
        V setValue(V value);
        boolean equals(Object o);
        int hashCode();
    
        // jdk1.8 后添加的方法
        public static <K extends Comparable<? super K>, V> Comparator<Map.Entry<K,V>> comparingByKey() {
            return (Comparator<Map.Entry<K, V>> & Serializable)
                (c1, c2) -> c1.getKey().compareTo(c2.getKey());
        }
        public static <K, V extends Comparable<? super V>> Comparator<Map.Entry<K,V>> comparingByValue() {
            return (Comparator<Map.Entry<K, V>> & Serializable)
                (c1, c2) -> c1.getValue().compareTo(c2.getValue());
        }
        public static <K, V> Comparator<Map.Entry<K, V>> comparingByKey(Comparator<? super K> cmp) {
            Objects.requireNonNull(cmp);
            return (Comparator<Map.Entry<K, V>> & Serializable)
                (c1, c2) -> cmp.compare(c1.getKey(), c2.getKey());
        }
        public static <K, V> Comparator<Map.Entry<K, V>> comparingByValue(Comparator<? super V> cmp) {
            Objects.requireNonNull(cmp);
            return (Comparator<Map.Entry<K, V>> & Serializable)
                (c1, c2) -> cmp.compare(c1.getValue(), c2.getValue());
        }
    }
    boolean equals(Object o);
    int hashCode();

    default V getOrDefault(Object key, V defaultValue) {
        V v;
        return (((v = get(key)) != null) || containsKey(key))? v: defaultValue;
    }
    
    default void forEach(BiConsumer<? super K, ? super V> action) {
        Objects.requireNonNull(action);
        for (Map.Entry<K, V> entry : entrySet()) {
            K k;
            V v;
            try {
                k = entry.getKey();
                v = entry.getValue();
            } catch(IllegalStateException ise) {
                // this usually means the entry is no longer in the map.
                throw new ConcurrentModificationException(ise);
            }
            action.accept(k, v);
        }
    }
    default void replaceAll(BiFunction<? super K, ? super V, ? extends V> function) {
        Objects.requireNonNull(function);
        for (Map.Entry<K, V> entry : entrySet()) {
            K k;
            V v;
            try {
                k = entry.getKey();
                v = entry.getValue();
            } catch(IllegalStateException ise) {
                // this usually means the entry is no longer in the map.
                throw new ConcurrentModificationException(ise);
            }

            // ise thrown from function is not a cme.
            v = function.apply(k, v);

            try {
                entry.setValue(v);
            } catch(IllegalStateException ise) {
                // this usually means the entry is no longer in the map.
                throw new ConcurrentModificationException(ise);
            }
        }
    }
    default V putIfAbsent(K key, V value) {
        V v = get(key);
        if (v == null) {
            v = put(key, value);
        }

        return v;
    }
    default boolean remove(Object key, Object value) {
        Object curValue = get(key);
        if (!Objects.equals(curValue, value) ||
            (curValue == null && !containsKey(key))) {
            return false;
        }
        remove(key);
        return true;
    }
    default boolean replace(K key, V oldValue, V newValue) {
        Object curValue = get(key);
        if (!Objects.equals(curValue, oldValue) ||
            (curValue == null && !containsKey(key))) {
            return false;
        }
        put(key, newValue);
        return true;
    }
    default V replace(K key, V value) {
        V curValue;
        if (((curValue = get(key)) != null) || containsKey(key)) {
            curValue = put(key, value);
        }
        return curValue;
    }
    default V computeIfAbsent(K key,
            Function<? super K, ? extends V> mappingFunction) {
        Objects.requireNonNull(mappingFunction);
        V v;
        if ((v = get(key)) == null) {
            V newValue;
            if ((newValue = mappingFunction.apply(key)) != null) {
                put(key, newValue);
                return newValue;
            }
        }

        return v;
    }
    default V computeIfPresent(K key,
            BiFunction<? super K, ? super V, ? extends V> remappingFunction) {
        Objects.requireNonNull(remappingFunction);
        V oldValue;
        if ((oldValue = get(key)) != null) {
            V newValue = remappingFunction.apply(key, oldValue);
            if (newValue != null) {
                put(key, newValue);
                return newValue;
            } else {
                remove(key);
                return null;
            }
        } else {
            return null;
        }
    }
    default V compute(K key,
            BiFunction<? super K, ? super V, ? extends V> remappingFunction) {
        Objects.requireNonNull(remappingFunction);
        V oldValue = get(key);

        V newValue = remappingFunction.apply(key, oldValue);
        if (newValue == null) {
            // delete mapping
            if (oldValue != null || containsKey(key)) {
                // something to remove
                remove(key);
                return null;
            } else {
                // nothing to do. Leave things as they were.
                return null;
            }
        } else {
            // add or replace old mapping
            put(key, newValue);
            return newValue;
        }
    }
    default V merge(K key, V value,
            BiFunction<? super V, ? super V, ? extends V> remappingFunction) {
        Objects.requireNonNull(remappingFunction);
        Objects.requireNonNull(value);
        V oldValue = get(key);
        V newValue = (oldValue == null) ? value :
                   remappingFunction.apply(oldValue, value);
        if(newValue == null) {
            remove(key);
        } else {
            put(key, newValue);
        }
        return newValue;
    }
}
View Code

说明:

  1. Map接口有一个内部接口Entry,对集合中的元素定义了一组通用的操作,维护这键值对,可以对键值对进行相应的操作,通过Map接口的entrySet可以返回集合对象的视图集,方便对集合对象进行遍历等操作。

  2. 对Map而言,也会包含添加、删除、判断、清空、大小等基本操作。

  3.3. Comparable接口 && Comparator接口

  此接口的作用是对集合中的元素进行排序,如Integer类型默认实现了Comparable<Integer>,String类型默认实现了Comprable<String>接口,Integer与String实现了这个接口有什么作用呢?就是当集合中的元素类型为Integer或者是String类型时,我们可以直接进行排序,就可以返回自然排序后的集合。

  对于Comparable接口而言,只有一个方法。 

【集合框架】Java集合框架综述 _ JavaClub全栈架构师技术笔记
public interface Comparable<T> {
    public int compareTo(T o);
}
View Code

  我们在compareTo方法中实现我们的逻辑,就可以实现各种各样的排序。

  对于Comparator接口而言,比Comparable接口类似,用作排序元素,主要的方法如下

【集合框架】Java集合框架综述 _ JavaClub全栈架构师技术笔记
public interface Comparator<T> {
    int compare(T o1, T o2);
    boolean equals(Object obj);
    
    // jdk1.8 后的方法
    default Comparator<T> reversed() {
        return Collections.reverseOrder(this);
    }

    default Comparator<T> thenComparing(Comparator<? super T> other) {
        Objects.requireNonNull(other);
        return (Comparator<T> & Serializable) (c1, c2) -> {
            int res = compare(c1, c2);
            return (res != 0) ? res : other.compare(c1, c2);
        };
    }

    default <U> Comparator<T> thenComparing(
            Function<? super T, ? extends U> keyExtractor,
            Comparator<? super U> keyComparator)
    {
        return thenComparing(comparing(keyExtractor, keyComparator));
    }

    default <U extends Comparable<? super U>> Comparator<T> thenComparing(
            Function<? super T, ? extends U> keyExtractor)
    {
        return thenComparing(comparing(keyExtractor));
    }

    default Comparator<T> thenComparingInt(ToIntFunction<? super T> keyExtractor) {
        return thenComparing(comparingInt(keyExtractor));
    }

    default Comparator<T> thenComparingLong(ToLongFunction<? super T> keyExtractor) {
        return thenComparing(comparingLong(keyExtractor));
    }

    default Comparator<T> thenComparingDouble(ToDoubleFunction<? super T> keyExtractor) {
        return thenComparing(comparingDouble(keyExtractor));
    }

    public static <T extends Comparable<? super T>> Comparator<T> reverseOrder() {
        return Collections.reverseOrder();
    }

    @SuppressWarnings("unchecked")
    public static <T extends Comparable<? super T>> Comparator<T> naturalOrder() {
        return (Comparator<T>) Comparators.NaturalOrderComparator.INSTANCE;
    }

    public static <T> Comparator<T> nullsFirst(Comparator<? super T> comparator) {
        return new Comparators.NullComparator<>(true, comparator);
    }

    public static <T> Comparator<T> nullsLast(Comparator<? super T> comparator) {
        return new Comparators.NullComparator<>(false, comparator);
    }

    public static <T, U> Comparator<T> comparing(
            Function<? super T, ? extends U> keyExtractor,
            Comparator<? super U> keyComparator)
    {
        Objects.requireNonNull(keyExtractor);
        Objects.requireNonNull(keyComparator);
        return (Comparator<T> & Serializable)
            (c1, c2) -> keyComparator.compare(keyExtractor.apply(c1),
                                              keyExtractor.apply(c2));
    }

    public static <T, U extends Comparable<? super U>> Comparator<T> comparing(
            Function<? super T, ? extends U> keyExtractor)
    {
        Objects.requireNonNull(keyExtractor);
        return (Comparator<T> & Serializable)
            (c1, c2) -> keyExtractor.apply(c1).compareTo(keyExtractor.apply(c2));
    }

    public static <T> Comparator<T> comparingInt(ToIntFunction<? super T> keyExtractor) {
        Objects.requireNonNull(keyExtractor);
        return (Comparator<T> & Serializable)
            (c1, c2) -> Integer.compare(keyExtractor.applyAsInt(c1), keyExtractor.applyAsInt(c2));
    }

    public static <T> Comparator<T> comparingLong(ToLongFunction<? super T> keyExtractor) {
        Objects.requireNonNull(keyExtractor);
        return (Comparator<T> & Serializable)
            (c1, c2) -> Long.compare(keyExtractor.applyAsLong(c1), keyExtractor.applyAsLong(c2));
    }

    public static<T> Comparator<T> comparingDouble(ToDoubleFunction<? super T> keyExtractor) {
        Objects.requireNonNull(keyExtractor);
        return (Comparator<T> & Serializable)
            (c1, c2) -> Double.compare(keyExtractor.applyAsDouble(c1), keyExtractor.applyAsDouble(c2));
    }
}
View Code

  我们在compare方法实现我们的比较逻辑,就可以实现各种各样的排序。

四、工具类Collections && Arrays

  Collections与Arrays工具类提供了很多操作集合的方法,具体的我们可以去查看API,总有一款你想要的。

五、equals && hashCode

  equals方法与hashCode方法在集合中显得尤为重要,所以,在这里我们也好好的理解一下,为后边的分析打下好的基础。 在每一个覆盖了equals方法的类中,也必须覆盖hashCode方法,因为这样会才能使得基于散列的集合正常运作。

  Object规范规定:

  1. 在应用程序的执行期间,只要对象的equals方法的比较操作所用到的信息没有被修改,那么对这同一个对象调用多次hashCode方法都必须始终如一的返回同一个整数。在同一个应用程序的多次执行过程中,每次执行所返回的整数可以不一致。

  2. 如果两个对象根据equals方法比较是相等的,那么调用者两个对象中的任意一个对象的hashCode方法都必须产生同样的整数结果。

  3. 如果两个对象根据equals方法比较是不相等的,那么调用这两个对象中任意一个对象的hashCode方法,则不一定产生不同的整数结果。

  相等的对象必须拥有相等的散列码。即equals相等,则hashcode相等,equals不相等,则hashcode不一定相等。一个好的hashCode函数倾向于为不相等的对象产生不相等的散列码,从而提升性能,不好的hashCode函数会让散列表退化成链表,性能急剧下降。

六、总结

  集合的开篇之作就到这里了,之后会不定期的进行更新,尽请期待,谢谢各位园友观看~

 

  

 

  

作者:leesf
来源链接:https://www.cnblogs.com/leesf456/p/5242814.html

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