問題的源頭
- 集合：對象的容器與數據結構
數據結構的數學基礎是集合論，爲什麼這麼說呢？上面說過，現在我們要研究的不是單個的基本類型或對象，多個對象的整體不就是集合嗎？從OO的角度上看，集合也是一種對象，但它是一種特殊的對象：對象的容器（注意，我們這裏沒有繼續討論基本類型的集合，因爲基本類型和存儲分配方式與對象有着本質的差別）。集合論的一個根本問題就是：給定一個元素，集合必須能夠回答該元素是或者不是屬於這個集合。還有一個問題也很重要，就是：如果元素是屬於一個集合，那該元素在集合中的地位應該是唯一的，或者說它是唯一確定的。當然還有其它問題，譬如查找、遍歷、排序等等，這和具體的集合類型相關，後面將會講到。
- 無序集、有序集、映射
等到我們上了大學，開始知道了另一種集合類型，叫做“有序集”（或者叫“線性表”，區別於以後碰到的像“樹”，“圖”這樣的非線性的數據結構），如果是計算機專業的，大概學過離散數學當中的“代數結構”，那你就更清楚的知道，“有序集”其實是一種“二元關係”，確切的說是“偏序關係”，它是可以包含相同元素的，因爲兩個的相同元素的“序號”可以不同，這樣根據“序號”仍可以“唯一確定”一個元素，數組就是一種有序集，有序集的另一個特點就是任意兩個元素可以確定他們的順序。
無序集，有序集，難道還有第三種可能？呵呵，它還是出現在我們的高中代數課本里，叫做“映射”。映射也是集合？其實自從康托爾以來，集合論就認爲“萬物皆集合”（但也就是這個斷言導致了集合論以後的尷尬境地，有興趣可以看看羅素或哥德爾的一些結論，或google“集合論 悖論”）。映射其實是一種“元素對”的集合，就像f(a)=b, f(c)=d, ...等效於集合（無序集）{(a, b), (c, d), ...}，在“映射”中可以看作是(原象, 象)的集合，換一種說法就是(關鍵字key, 值value)的集合。所以我們可以在笛卡兒正交座標平面上畫出漂亮的函數圖像，因爲在集合論看來，函數（映射）就是二維平面上的一個個點，明白了？這樣一來上面的“有序集”也好理解了，偏序關係a>b>c>d>...（不知道“偏序關係”就把它們看作是數組x[1]=a, x[2]=b, x[3]=c, x[4]=d ...好了）等效於無序集{(1, a), (2, b), (3, c), (4, d), ...}，於是乎，所有的集合都等效於無序集！所以高中只教了我們一種集合，呵呵……
JCF的全家福
好啦好啦，這些我們都知道，又不是在上數學課，說了這麼多廢話，怎麼還沒扯到正題上來？JCF的影子我還沒看見呢！列位看官別急，這就給您道來。其實上面的概念對理解JCF非常重要。
JCF是個頗有點規模的家族，看看它的類層次關係圖就知道了，下面這張圖（圖1）摘自著名的Thinking in Java：
圖1 JCF層次結構
哇，這麼多接口和類，真有點讓人無從下手的感覺。其實我們真正需要記住的只是這麼一個超超easy的結構（圖2）：
圖2
這張圖看起來舒服多了吧？但它又能說明什麼問題呢？它怎麼就能夠把握整個JCF呢？我們把Collection接口置於最頂上，意思是想說：Collection其實是整個JCF家族中的“祖宗”，幾乎所有的JCF成員都源自該接口，或者和它有密切的關係，Collection提供關於集合的一些通用操作的接口，包括插入（add()方法）、刪除（remove()方法）、判斷一個元素是不是其成員（contains()方法）、遍歷（iterator()方法）等等。注意了，前面的“廢話”在這裏將得到體現：Set接口體現的是“無序集”的概念，它是不允許有重複元素出現的；List接口代表“有序集”；而Map接口則是“映射”（在早期的Java版本中並不叫Map，我們在後面會看到），其實Map.Entry接口就是代表一個“元素對”我們可以通過Map的entrySet()方法得到這樣一個由“元素對”組成的Set對象。我們注意到Set和List都是從“祖宗”Collection派生的，而Map不是，畢竟對一對元素的操作與對單個元素的操作還是有區別的，但是如果你仔細對照一下Collection和Map的源代碼，以及它們的直接後代AbstractCollection和AbstractMap的源代碼，你將會發現很多相似的地方，所以我們仍然可以把Map看成是和Collection有着血緣關係的接口，而和Set，List一起處於並列的位置。
有了“無序集”，“有序集”和“映射”，我們就可以定義各種各樣的抽象數據結構了，譬如圖1所示的向量，鏈表，堆棧，哈希表，平衡二叉樹等。但我們需要記住的，僅僅是圖2，置於其它的成員，在用到的時候查一下API手冊不就行了？不過一般初學者還是比較容易用到一些類，像Vector、ArrayList、HashMap，我在這裏列了一張表，顯示了常見的JCF成員及其關係：
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集合框架的祖宗： Collection |
歷史集合 |
新集合 |
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無序集： Set |
有序集： List |
映射：Dictionary |
映射：Map |
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歷史集合 |
新集合 |
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可能有的概念您還不是太瞭解，譬如什麼叫“歷史集合”，Hashtable、HashMap、TreeMap三者之間有什麼區別和聯繫，怎樣實現對一個特定集合的快速遍歷、元素查找或者排序，沒關係，我們在下面將逐一進行研究。
細節考慮：目標與效率
有了JCF的層次還不夠，重要的是對集合所容納的對象的具體操作，以前我們學數據結構的時候可能老師總會讓你計算一個算法的時間複雜度，可能你會對這個O(f(n))很不耐煩，但事實上算法效率是一個重要的因素。
對集合的有兩個主要的應用：我需要知道集合有哪些元素；根據條件找到一個特定的元素。在算法上通常稱爲“遍歷”和“查找”。不要以爲我們生活中不常用哦！譬如CCTV的“幸運52”裏面，李詠讓參賽者報出一款PDA的準確價位，他會怎麼做？“2000”“高了”“1000”“低了”“1500”“低了”……直到答對爲止。可能有很多人都會選擇這個策略，無論他是不是計算機專業出身的，也不知道他是不是瞭解“數據結構”和“折半查找”，更不用說他是不是知道還有比在無初始代價下O(log n)的時間複雜度更快的算法了，但我們經常會自然而然地用這樣的方法，這和一個人的行業無關，除非這個人的rp超強，呵呵……
又講了一堆題外話了，遍歷和修改似乎是一對矛盾，一個可以高效率插入刪除元素的數據結構通常遍歷的性能並不是最優。於是JCF在這裏根據用戶的目標實現了兩種定製的數據結構：哈希表（包括HashSet和HashMap）和平衡二叉樹（包括TreeSet和TreeMap）。由於可排序性是一種獨特的要求，所以引入了SortedSet和SortedMap，它們分別是AbstractSet和AbstractMap的子接口，而TreeSet和TreeMap又分別是他們的一種實現。熟悉數據結構的人可能比較瞭解，哈希表在進行插入、刪除、查找這樣的操作是很快的，其時間複雜度是常數級O(1)；平衡二叉樹雖然插入、刪除操作比較麻煩（需要O(log n)的代價），但進行遍歷和排序卻很快。選擇完全在於用戶的側重點，但由於類型轉換的方便性，通常我們用哈希表構造一個集合以後，再把它轉換成相應的樹集進行遍歷，以獲得較好的效果。
| Set set1 = new HashSet(); set1.add(elem1);// 通過插入元素構造集合 set1.add(elem2); set1.add(elem3); Set set2 = new TreeSet(set); Iterator all = set2.iterator(); while (all.hasNext()) {// 遍歷集合 all.next(); ... } |
2. 歷史實現 vs. 新實現 歷史實現（Legacy Implementations）是JCF的一個術語，準確的意義不是很清楚，但大致可以認爲在Java 2（JDK 1.2）出現以前的老版本中JCF的一個雛形框架。在Java 2以後，JCF纔開始完善健壯起來，新實現中出現了一些新的類用於替代老版本中的成員，但由於種種原因，老版本中很多類都代表了傳統數據結構的精髓部分，以及一些安全原因，所以仍然被我們使用着。
Enumeration vs. Iterator
Enumeration是一個傳統的集合遍歷工具，在新的JCF中使用的是Iterator，Iterator同樣具有遍歷功能，還包含一個remove()方法來刪除當前得到的元素。
Dictionary vs. Map
Dictionary是一個現在已經被標記爲deprecated的類，實現了老版本中的映射功能，現在已經完全被Map取代。它們的區別是：Dictionary中key和value不能爲null，但Map卻允許空的關鍵字和值，這一點直接影響到它們的後代：Hashtable和HashMap。
Vector vs. ArrayList
Vector和ArrayList是數組在JCF中的體現，還記得前面講過的數組的缺點麼？Vector和ArrayList就是一種可以動態增長的數組。Vector是歷史實現，它和ArrayList的主要區別在於，Vector是同步集合（或者說是線程安全的），但ArrayList並不是同步的，由於同步需要花一定的代價，所以ArrayList看起來要比Vector的存取訪問效率更高。關於同步我們下面還將要談到。
Hashtable vs. HashMap
Hashtable是Dictionary的子類，屬於歷史實現，而HashMap是Map的子類，是新實現。它們的區別除了上面所說的key和value是否可以爲空之外，也有同步的差別，Hashtable是同步的，但HashMap不是。HashMap的一個經典的例子就是JSP的內置對象session。不過不要因爲Hashtable是“老前輩”而瞧不起它哦，它的一個著名的子類Properties我們可是經常會用到的。 3. 同步 vs. 不同步 從上面的描述中我們似乎可以得出這麼一個印象：歷史實現好像都是同步的，但新實現中卻沒有。需要同步操作的理由是，可能存在多個線程對同一個集合進行操作的情況：譬如一個線程正在對某集合進行遍歷，但與此同時，另一個線程又在對該集合進行插入或刪除，那麼第一個線程的遍歷結果將是不可預測的，對於同步集合，它將會拋出一個ConcurrentModificationException異常，JCF把這種機制成爲“fail-fast”。我們對比一下Vector和ArrayList的源代碼就可以發現Vector的很多方法都是有synchronized關鍵字修飾的，但ArrayList沒有。 4. 容易遺忘的工具：Collections和Arrays 在圖1中右下角落裏有兩個類叫做Collections（注意，不是Collection！）和Arrays，這是JCF裏面功能強大的工具，但初學者往往會忽視。按JCF文檔的說法，這兩個類提供了封裝器實現（Wrapper Implementations）、數據結構算法和數組相關的應用。
想必大家不會忘記上面談到的“折半查找”、“排序”等經典算法吧，Collections類提供了豐富的靜態方法幫助我們輕鬆完成這些在數據結構課上煩人的工作：
binarySearch：折半查找。
sort：排序，這裏是一種類似於快速排序的方法，效率仍然是O(n * log n)，但卻是一種穩定的排序方法。
reverse：將線性表進行逆序操作，這個可是從前數據結構的經典考題哦！
rotate：以某個元素爲軸心將線性表“旋轉”——哇，這個功能太酷了！
swap：交換一個線性表中兩個元素的位置。
……
Collections還有一個重要功能就是“封裝器”（Wrapper），它提供了一些方法可以把一個集合轉換成一個特殊的集合：
unmodifiableXXX：轉換成只讀集合，這裏XXX代表六種基本集合接口：Collection、List、Map、Set、SortedMap和SortedSet。如果你對只讀集合進行插入刪除操作，將會拋出UnsupportedOperationException異常。
synchronizedXXX：轉換成同步集合。
singleton：創建一個僅有一個元素的集合，這裏singleton生成的是單元素Set，singletonList和singletonMap分別生成單元素的List和Map。
空集：由Collections的靜態屬性EMPTY_SET、EMPTY_LIST和EMPTY_MAP表示。
此外，我們知道把集合轉換成對象數組可以用Collection的toArray()方法，我們也可以方便地把一個對象數組轉換成一個線性表（可不要告訴我你是一個一個地add哦）：Arrays.asList()。 5. 泛型 目前我們瞭解的JCF的一個重要特徵是：所有加入到集合當中的對象都將在表面上失去它們自己的特性，而看上去僅僅只是一個Object對象而已，除非你把它強制類型轉換成它們原來的對象。這一點很自然，集合嘛，對象的容器，它容納的是各種各樣的對象，而不僅僅是某種特定類型的對象。J2SE 5.0出現以後，JCF開始引入泛型的特性，譬如我們經常碰到這樣的應用，就是把集合轉換成特定的數組，雖然Collection有toArray()的方法，但可惜的是，這個數組的所有元素都是Object類型的，我們通常的做法是用一個for循環把數組的每個元素都進行強制類型轉換，雖然可行，但看上去很笨拙，如果有了泛型，我們就可以預先指定要得到的類型，然後一次toArray就可以得到我們期望的數組，裏面的元素全部都是指定類型了。慚愧的是，我對5.0還不是太瞭解，具體可以參考J2SE 5.0的JCF文檔。
小結
我這裏走馬觀花一樣把JCF的一些主要概念羅嗦了一下，Java的老手們可能比較厭煩，新手們可能更覺得像回顧了一下高中的數學課和大學的數據結構，呵呵。這只是一個小小的例子，可見基礎知識對現實當中的應用還是蠻有指導意義的。大師們看數學，覺得那是很唯美很藝術的一樣東西，西方一直都把數學區別於其它自然科學，而認爲它更靠近於哲學，像我等這樣整天還在爲找工作煩得要死的俗人還是沒法入道啊，sigh……
參考資料
- IBM developerWorks教程： Java 集合框架
- J2SE Documentation: The Collections Framework
- The Java Tutorial
- JCF API