當我們要處理一串資料的時候,相比較c++和c中的陣列和指針,在Java中我們比較常用的是ArrayList、HashMap等集合資料結構。 c語言對指標的支援成就了他的深度,而Java中多種多樣的包裝類別成就了他的廣度。在java中,我們一般將List、Map、Set等資料結構通歸為集合資料結構,這些類別都存在於集合類別庫中。
與其他的資料結構類別庫相似的,java的集合類別庫也採用了這種介面和實作分離的方法。
這種方法的好處是不言而喻的。當你要實例化一個佇列時,如果你想去選擇鍊式結構或循環數組或其他不同的實作方法,只需為集合介面引用不同的實作類別即可。
Queue<String> qe1 = new LinkedList<>(); //LinkedList是链表实现队列Queue<String> qe2 = new ArrayDeque<>(); //ArrayDeque是循环数组实现队列
同樣是Queue的實作類,但採用了不同的方式。
在集合類別庫中,最基本的介面是Collection介面。
Collection介面可以理解成集合類別庫中的樹根,所有的其他類別都是從之演變出來的。因為Colleaction是一個泛型接口,所以在這個泛型接口中java類別庫的設計者加入了許多的方法,所有的實作類別都必須去實作這些方法。
int size() //返回此 collection 中的元素数。 //如果此 collection 包含的元素大于 Integer.MAX_VALUE,则返回 Integer.MAX_VALUE。boolean isEmpty() //如果此 collection 不包含元素,则返回 true。 boolean contains(Object o) //当且仅当此 collection 至少包含一个满足 (o==null ? e==null : o.equals(e)) 的元素 e 时,返回 true。 Iterator<E> iterator() //返回在此 collection 的元素上进行迭代的迭代器。//关于元素返回的顺序没有任何保证,除非此 collection 是某个能提供保证顺序的类实例。 Object[] toArray() //返回包含此 collection 中所有元素的数组。//如果 collection 对其迭代器返回的元素顺序做出了某些保证,那么此方法必须以相同的顺序返回这些元素。 //返回的数组将是“安全的”,因为此 collection 并不维护对返回数组的任何引用。//调用者可以随意修改返回的数组。 //此方法充当了基于数组的 API 与基于 collection 的 API 之间的桥梁。 boolean add(E e) //确保此 collection 包含指定的元素。如果此 collection 由于调用而发生更改,则返回 true。 //如果此 collection 不允许有重复元素,并且已经包含了指定的元素,则返回 false。boolean remove(Object o) //如果此 collection 包含一个或多个满足 (o==null ? e==null : o.equals(e)) 的元素 e,则移除这样的元素。 //如果此 collection 包含指定的元素(或者此 collection 由于调用而发生更改),则返回 true 。 boolean containsAll(Collection<?> c) //如果此 collection 包含指定 collection 中的所有元素,则返回 true。 boolean addAll(Collection<? extends E> c) //将指定 collection 中的所有元素都添加到此 collection 中。 //如果在进行此操作的同时修改指定的 collection,那么此操作行为是不确定的。boolean removeAll(Collection<?> c) //移除此 collection 中那些也包含在指定 collection 中的所有元素。 //此调用返回后,collection 中将不包含任何与指定 collection 相同的元素。 void clear() //移除此 collection 中的所有元素。boolean retainAll(Collection<?> c) //仅保留此 collection 中那些也包含在指定 collection 的元素。 //移除此 collection 中未包含在指定 collection 中的所有元素。
以上這些方法將會在所有的集合資料結構中出現,記住他們的作用,無論是哪個資料結構,只要呼叫他們準沒有錯。除此之外真的要讚歎java API編寫者的水平,方法功能的介紹用最少的語言來說的滴水不漏,這種超強的概括性,水平之高可見一斑。尤其像remove中判斷的方式,書寫簡潔美觀,包含存在null的情況,真的非常值得學習。 (特殊的,表格不是從Collection介面實現的,而是Map介面)
在建立Collection介面的同時,集合類別庫也創建了Iterator接口,這個接口的物件是一個迭代器,他會依序遍歷集合中所有的元素。在開始的時候,如果集合是有序的,那麼透過Collection介面的iterator方法傳回的迭代器物件會在集合起始位置。
Iterator<Integer> it = new Iterator<>(); Iterator<Integer> it = queue.iterator(); //通过队列中实现的iterator方法返回迭代器
Iterator物件工作的原理是把每個集合中的物件看成一個區塊,it在這些區塊之間跳躍。在開始的時候it在第一個區塊前(如果是有序集),呼叫一次next()方法it就會跳到下個區塊之後,並且跳完之後返回在it前面的區塊。如果在開始直接it.remove()會報錯,因為remove的原理是刪除在it之前的這個區塊,所以需要先進行next()操作。同理,連續remove兩次也是會報錯的。
Queue<Integer> qe1 = new LinkedList<>(); qe1.add(null); qe1.add(1); qe1.add(20); System.out.println(qe1);Iterator<Integer> it = qe1.iterator(); //-------------error-------------it.reomve(); //不能直接调用remove(),这时it没有跳过块,it之前没有内容 //------------------------------- //-------------error-------------it.next(); it.remove(); it.reomve(); //不能连续调用remove(),it之前的块已被删除,再调用报错 //------------------------------- //--------------ok---------------it.next(); it.remove(); it.next(); it.remove(); //-------------------------------System.out.println(qe1); //输出://[20]
上面的範例中值得注意的一點是qe1.add(null);
是完全成立的。基本上所有的集合可以明確的把null當作一個物件傳入(除了特殊的集合,例如PriorityQueue…等)。這樣我們也可以理解API中的:
if(o==null ? e==null : o.equals(e)) //如果集合中有和o相同的e
在數組以及動態的ArrayList數組存在刪除節點代價大的問題後,鍊錶的出現解決了這個問題。在java中所有的鍊錶其實都是雙向的,包含一個前驅結點的引用,存放的對象,指向後一個結點的引用。
List<String> letter = new LinkedList<>(); //链表
當時用鍊錶的時候也意味著我們需要進行大量的增添和刪除功能。對於鍊錶這種有序集合,Iterator迭代器無疑是描述位置最好的類,但是在Iterator中並沒有add方法(因為有很多無序集不需要在特定的位置增添元素)所以我們從Iterator中實現了一個子類別來進行增刪操作-ListIterator。
package Collection;import java.util.LinkedList;import java.util.List;import java.util.ListIterator;/** * * @author QuinnNorris * 链表LinkedList的操作,以及ListIterator */public class LinkedListE { /** * @param args */ public static void main(String[] args) { // TODO Auto-generated method stub List<String> letter = new LinkedList<>(); letter.add(0, "a"); //在索引为0的位置添加元素 letter.add("b"); letter.add("c"); letter.add("d"); ListIterator li = letter.listIterator(2);//在第3个元素“c”(索引为2)之前放置迭代器 li.previous();//迭代器向前遍历 li.remove();//删除刚刚跳过的元素“b” li.next();//迭代器向后遍历 li.remove();//删除刚刚跳过的元素“c” li.next();//迭代器向后遍历 li.set("e");//将刚刚跳过的元素“d”重新设置为“e” System.out.println(li.nextIndex());//输出: 2 System.out.println(li.previousIndex());//输出:1 System.out.println(letter);//输出:[a,e] letter.get(0);//可以使用,但是不要这样做 } }
ListIterator提供了一個向前遍歷元素的方法previous(),並且提供了一個讓人耳目一新的方法set()。 set這個方法可以重新設定剛剛跳過的那個節點內容,這個方法有些特殊之處,我們以後還會用到多次。
要注意的是,如果你在一個鍊錶中經常去呼叫get()方法,那麼有可能你已經在一條錯誤的道路上了。 get方法的實作效率非常差,如果不是一條增刪需求多於查詢需求的表,那麼是時候該考慮考慮使用其他的表了。
在上面鍊錶中不適用的set和get方法在ArrayList中是非常有用的。這個類別也實作了List介面。這個列表可能是我們使用的相當多的一個列表,在不需要同步的情況下,ArrayList是我們最可靠的小幫手。
如果我們只是要將一些元素存放到集合之中,而無須關心他們的次序,那麼我們可以採取散列集來存放這些元素,它可以快速的查找到元素,缺點在於無法控制順序。
HashTable是非常出名的数据结构,它的存放对象的原理大概是这样的:
将每个对象设置一个散列码(有的通过HashCode()方法)。
实现许多条链表数组,将每条这样的数组称为一个桶(bucket)。
将对象的散列码与桶的总数取余,得到的余数就是保存这个对象的桶的索引。
将这个对象放入这个桶中,如果这个桶此时无对象,则他作为第一个节点,否则跟在最后一个节点后面
如果这个桶被占满,发生散列冲突。java会先尝试扩充链表,如果不行,一般采用链表法,继续向后延展。
为了在不浪费空间的情况下尽可能的优化散列表的性能,我们的初始的桶数就要进行估算,但是事实上我们没法估算…。在java标准类库中采用了默认值为16的桶数。
除此之外,如果我们在使用的过程中,散列表过于满我们就需要对散列表进行再散列。再散列的方法很简单,把2的幂数加一,就是以32为桶数重新创建一个散列表,将原来各个桶中元素全部重新计算。那么我们在什么时候需要再散列呢?在散列表中存在一个装填因子,默认它的值为0.75。也就是说,如果原来的散列表被装满了75%以上时,这个散列表将会被再散列。
package Collection;import java.util.HashSet;import java.util.Set;/** * * @author QuinnNorris * 散列集HashSet,要理解存放方法,实际应用中无特别之处 */public class HashSetE { /** * @param args */ public static void main(String[] args) { // TODO Auto-generated method stub Set<String> hs = new HashSet<>(); hs.add("master"); Set<String> sub_hs = new HashSet<>(); sub_hs.add("sub"); hs.addAll(sub_hs);//将另一个集合添加进来 System.out.println(hs);//输出 [sub, master] } }
散列集HashSet,要理解存放方法,实际应用中无特别之处。如果不需要索引,可用这种集合存放元素。
TreeSet和HashSet很像,但是TreeSet却是一种有序集合。
正如其名,树集是一种树,它将插入这个集合的每个元素都按照一定的规律来排序比较,最后在循环输出的时候,树集输出的内容是有一定顺序的。也正是因为这个原因,插入树集的元素是必须能比较的,详细的说,所有插入树集的元素都要实现Comparable接口,否则会报错,这也是能比较的一个前提。
我们已经知道,这个接口是插入树集前必须要实现的。Comparable接口定义了一个方法:
public interface Comparable<T> { int compareTo(T other); }
compareTo方法返回的是一个int类型的数字,如果这个数字大于0,则说明排序时对象在参数之前,反之在参数之后。在集合中不会出现等于0的情况,毕竟集合是具有单一性,不能一个元素重复存在。
毕竟我们写的类不会自己附带一个Comparable接口的实现,那么很多时候,我们需要披挂上阵自己来定义比较的方法。我们可以创建一个Comparator实现类,在类中实现compare方法。请注意,我们手动实现的接口是Comparator而不是Comparable。更好的做法是我们将这个自定的类作为一个参数传入TreeSet的初始化语句中。
ItemComparator comp = new ItemComparator(); //ItemComparator是自己写的Comparable的实现类Set<String> ts = new TreeSet<String>(comp); //将实例comp作为参数传入,TreeSet获得比较方法
上面的自定义方法固然好,但是那并不是最简洁的写法,在这种情况下,匿名内部类真的起到了非常好的效果。只要你知道这里的参数是一个实现了compare方法的类对象,你就不会因为内部类的写法而感到很难读懂。
Set<Tree> ts = new TreeSet<Tree>(new Comparator<Tree>(){ public int compare(Tree a,Tree b){ return a.index-b.index; } });
Tree是我们自己定义的一个类,自然没有Comparable接口的实现。所以我们在这里实现一下Comparator,采用的是匿名内部类的方法。事实上,Comparator接口还有equals方法,但是一般的情况下我们并不用去管它。
TreeSet本身没有什么更多的便捷方法,但是它实现了很多接口,我们既然要看就看得透彻一些,来把这些接口也学习一下。
SortedSet<String> ts = new TreeSet<>(); //SortedSet接口Comparator<? super E> comparator() // 返回对此 set 中的元素进行排序的比较器。如果此 set 使用其元素的自然顺序,则返回 null。E first() //返回此 set 中当前第一个(最低)元素。 E last() //返回此 set 中当前最后一个(最高)元素。 NavigableSet<String> ts = new TreeSet<>(); //NavigableSet接口ceiling(E e) //返回此 set 中大于等于给定元素的最小元素;如果不存在这样的元素,则返回 null。 Iterator<E> descendingIterator() //以降序返回在此 set 的元素上进行迭代的迭代器。 E floor(E e) //返回此 set 中小于等于给定元素的最大元素;如果不存在这样的元素,则返回 null。 E higher(E e) //返回此 set 中严格大于给定元素的最小元素;如果不存在这样的元素,则返回 null。 Iterator<E> iterator() //以升序返回在此 set 的元素上进行迭代的迭代器。 E lower(E e) //返回此 set 中严格小于给定元素的最大元素;如果不存在这样的元素,则返回 null。 E pollFirst() //获取并移除第一个(最低)元素;如果此 set 为空,则返回 null。 E pollLast() //获取并移除最后一个(最高)元素;如果此 set 为空,则返回 null。
实际上,NavigableSet实现了SortedSet,如果想要使用上面的方法用NaviagableSet引用即可。
顾名思义,有两个端头的队列就叫做双端队列,而deque的含义也正是“double ended queue”。双端队列可以在两端进行增删元素操作,但是不能在队列中间添加元素。
在java类库中,Deque
package Collection;import java.util.ArrayDeque;import java.util.Deque;/** * * @author QuinnNorris * 双端队列ArrayDeque的基本操作 */public class ArrayDequeE { /** * @param args */ public static void main(String[] args) { // TODO Auto-generated method stub Deque<String> ad = new ArrayDeque<>();//默认构造一个大小为16的双端队列 ad.add("a");//将一个对象插入双端队列的末尾 ad.addFirst("b");//将一个对象插入双端队列的头部 ad.addLast("c");//将一个对象插入双端队列的末尾 String first = ad.pollFirst();//获取并移除双端队列的第一个元素,pollLast()功能相反 String second = ad.getLast();//获取双端队列的最后一个元素,getFrist()功能相反 } }
这个类的功能也很明确就是在头部尾部能够做文章,偶尔或许会用到吧。值得一提的是,因为这个实现类继承了很多队列的接口,所以ArrayDeque里面有很多功能相同的方法,我们看着用就可以,作用是差不多的。
在操作系统中,CPU要处理很多进程任务,有个管理这些进程的算法就叫做优先级队列算法。java中的优先级队列和这个很像。在优先级队列中,元素只要add进去就不用管了,因为这个队列就是一个堆(heap),实质上是一个AVL二叉树。在这个二叉树中他总是按照compareTo方法将元素排序,优先级低的放在前面。
package Collection;import java.util.PriorityQueue;import java.util.Queue;/** * * @author QuinnNorris * 优先级队列PriorityQueue基本用法 */public class PriorityQueueE { /** * @param args */ public static void main(String[] args) { // TODO Auto-generated method stub Queue<String> pq = new PriorityQueue<>(); pq.add("a"); pq.offer("b");//向优先级队列中添加一个对象,和add方法相同。 pq.offer("c"); String head = pq.peek();//获取此列表的头 System.out.println(head);//输出: a System.out.println(pq);//输出:[a, b, c] pq.remove();//移除队列中优先级最小的元素,也就是第一个元素,也可用参数表示删除什么元素 System.out.println(pq);//输出: [b, c] } }
PriorityQueue的方法也是出奇的简单,只有几种特殊的方法,毕竟二叉树自己内部就进行了自动调整,不需要我们做太多。与TreeSet一样,我们也可以通过自己创建实现了Comaprator接口的类对象来控制排序的原则。在PriorityQueue中值得注意的是,如果remove方法没有参数,那么默认会删除根节点的元素(第一个元素)。
有的时候,我们要查找一个元素,但是并不想根据它的索引数字来查找。更有意义的,我们想用除了数字之外的类似String,Double,或者其他对象来查找这个值,那么这就涉及到一对数据。在java和很多语言中都实现了这种数据结构,通过一对键值对(key-value对)来存放数据,这就是映射表。
散列表和散列集的特性是基本差不多的,都是通过桶来储存。和散列集区别的是,它是根据键的hashcode来进行分配,散列集就比较简单。值得一提的是,键和值都可以为null,HashMap不是同步的,在多线程并发的情况下需要更多的保护操作。
package Collection;import java.util.HashMap;import java.util.Map;/** * * @author QuinnNorris * HashMap的基本操作 */public class HashMapE { /** * @param args */ public static void main(String[] args) { // TODO Auto-generated method stub Map<String,String> hm = new HashMap<>(); Map<String,String> hmc = new HashMap<>(20,0.8F); //可以有两个参数,第一个表示桶的个数,第二个表示装填因子 hm.put("key", "value");//存放键值对 hm.get("key");//获取参数键的对应值,如果没有这个键则返回null hm.containsKey("key");//返回布尔值true;表示包含这个键 hm.containsValue("value");//返回布尔值true,表示包含这个键 hm.remove("key");//根据键来移除键值对 } }
在HashMap中,可以根据key来获取value的值,但是如果要反向根据value来获取key的值时则需要用到其他的手法,这个实现方法我们等到以后再讨论。
树表是java集合类库提供的第二种表,这种表的特点全写在名字上了,树+表。具体有以下这些特性:
树会根据Comparable类的compareTo方法作为默认比较器,将传入元素排序
可以自己实现Comaprator类的compare方法作为比较器,将对象传入参数中
比较的变量是键key不是值value
树表比散列表稍微慢一些,不会慢太多,在需要有序输出的时候要用树表
一万多字的内容概括的介绍了所有在集合类库常用的几种类。这些类实现的原理不同,功能不同,大概可以分成List、Map、Set三大种,除了Map是Map接口实现的,其他的都是Collection接口实现的,在下面我们可以继续看一些集合框架,看java是怎么把这些类组合在一起的。
当我们要处理一串数据的时候,相比较c++和c中的数组和指针,在Java中我们更为常用的是ArrayList、HashMap等集合数据结构。c语言对指针的支持成就了他的深度,而Java中多种多样的包装类成就了他的广度。在java中,我们一般将List、Map、Set等数据结构通归为集合数据结构,这些类都存在于集合类库中。
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