Java集合框架全面解析

### Java集合框架全面解析 #### 1. 集合框架的必要性 在应用程序开发中，经常需要管理对象集合。虽然数组可以用于此目的，但它并非总是最佳选择。数组具有固定大小，当需要存储数量可变的对象时，很难确定最佳大小。而且，数组只能通过整数索引，不适合将任意对象映射到其他对象。 为了解决这些问题，标准类库提供了集合框架（Collections Framework）和遗留实用工具API，用于为应用程序管理集合。 #### 2. 集合框架基础 集合框架是一组类型（主要位于`java.util`包中），为表示和操作集合提供了标准架构。其架构分为三个部分： - **核心接口**：提供独立于实现的集合操作接口。 - **实现类**：提供不同的核心接口实现，以满足性能和其他需求。 - **实用工具类**：提供用于对数组排序、获取同步集合等的方法。 ##### 2.1 核心接口 核心接口包括`java.lang.Iterable`、`Collection`、`List`、`Set`、`SortedSet`、`NavigableSet`、`Queue`、`Deque`、`Map`、`SortedMap`和`NavigableMap`。它们之间存在继承关系，形成了一个层次结构，如下所示： ```mermaid graph LR classDef startend fill:#F5EBFF,stroke:#BE8FED,stroke-width:2px classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px A(Iterable):::process --> B(Collection):::process B --> C(List):::process B --> D(Set):::process B --> E(Queue):::process D --> F(SortedSet):::process F --> G(NavigableSet):::process E --> H(Deque):::process I(Map):::process --> J(SortedMap):::process J --> K(NavigableMap):::process ``` ##### 2.2 实现类 实现类包括`ArrayList`、`LinkedList`、`TreeSet`、`HashSet`、`LinkedHashSet`、`EnumSet`、`PriorityQueue`、`ArrayDeque`、`TreeMap`、`HashMap`、`LinkedHashMap`、`IdentityHashMap`、`WeakHashMap`和`EnumMap`。每个具体类的名称以核心接口名称结尾，表明其基于的核心接口。 此外，还有抽象类`AbstractCollection`、`AbstractList`、`AbstractSequentialList`、`AbstractSet`、`AbstractQueue`和`AbstractMap`，它们提供了核心接口的骨架实现，便于创建具体实现类。 ##### 2.3 实用工具类 集合框架提供了两个实用工具类：`Arrays`和`Collections`。 #### 3. Comparable与Comparator 集合实现以某种顺序存储其元素，这个顺序可能是未排序的，也可能根据某种标准（如字母、数字或时间顺序）排序。 排序集合默认根据元素的自然顺序存储元素。例如，`java.lang.String`对象的自然顺序是字典顺序。 集合不能依赖`equals()`方法来确定自然顺序，因为该方法只能判断两个元素是否相等。元素类必须实现`java.lang.Comparable<T>`接口及其`int compareTo(T o)`方法。 当需要以不同于自然顺序的方式存储元素时，可以提供一个比较器（Comparator）。 `compareTo()`方法的规则如下： - **自反性**：对于任何非空引用值`x`，`x.compareTo(x)`必须返回0。 - **对称性**：对于任何非空引用值`x`和`y`，`x.compareTo(y) == -y.compareTo(x)`必须成立。 - **传递性**：对于任何非空引用值`x`、`y`和`z`，如果`x.compareTo(y) > 0`为真，且`y.compareTo(z) > 0`为真，则`x.compareTo(z) > 0`也必须为真。 比较器是实现`Comparator`接口的对象，该接口提供了两个方法： - `int compare(T o1, T o2)`：比较两个参数的顺序。当`o1`等于`o2`时返回0，当`o1`小于`o2`时返回负值，当`o1`大于`o2`时返回正值。 - `boolean equals(Object o)`：当`o`“等于”此比较器时返回`true`，即`o`也是一个比较器，并且施加相同的排序。否则返回`false`。 #### 4. Iterable和Collection 大多数核心接口都源于`Iterable`及其`Collection`子接口。`Iterable`描述了可以按某种顺序返回其包含对象的任何对象，它声明了一个`Iterator<T> iterator()`方法，用于返回一个迭代器实例。 `Collection`表示对象的集合，称为元素。该接口提供了许多集合所基于的`Collection`子接口的通用方法，如下表所示： | 方法 | 描述 | | --- | --- | | `boolean add(E e)` | 将元素`e`添加到集合中。如果集合因此被修改，则返回`true`；否则返回`false`。可能会抛出`UnsupportedOperationException`、`ClassCastException`、`IllegalArgumentException`、`NullPointerException`和`IllegalStateException`。 | | `boolean addAll(Collection<? extends E> c)` | 将集合`c`的所有元素添加到该集合中。如果集合因此被修改，则返回`true`；否则返回`false`。可能会抛出`UnsupportedOperationException`、`ClassCastException`、`IllegalArgumentException`、`NullPoint