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Java 集合框架

早在 Java 2 之前，Java 就提供了特設類。比如：Dictionary, Vector, Stack 和 Properties 這些類用來存儲和操作對象組。

雖然這些類都非常有用，但是它們缺少一個核心的、統一的主題。由於這個原因，使用 Vector 類的方式和使用 Properties 類的方式有着很大不同。

集合框架被設計成要滿足以下幾個目標。

該框架必須是高性能的。基本集合（動態數組，鏈表，樹，哈希表）的實現也必須是高效的。
該框架必須是操作方法上儘量一致。允許不同類型的集合，以類似的方式工作，具有高度的互操作性。
對一個集合的擴展和適應必須是簡單的。

爲此，整個集合框架就圍繞一組標準接口而設計。你可以直接使用這些接口的標準實現，諸如： LinkedList, HashSet, 和 TreeSet 等，除此之外你也可以通過這些接口實現自己的集合。

除了集合，該框架也定義了幾個 Map 接口和類。Map 裏存儲的是鍵/值對。儘管 Map 不是集合，但是它們完全整合在集合中。

一、集合框架體系圖

Java 集合框架提供了一套性能優良，使用方便的接口和類，java集合框架位於java.util包中，所以當使用集合框架的時候需要進行導包。

二、Java中的常用集合接口

集合框架定義了一些接口，下面提供了每個接口的概述：

序號	接口描述
1	Collection 接口 Collection 是最基本的集合接口，一個 Collection 代表一組 Object，即 Collection 的元素, Java不提供直接繼承自Collection的類，只提供繼承於的子接口(如List和set)。 Collection 接口存儲一組不唯一，無序的對象。
2	List 接口 List接口是一個有序的 Collection，使用此接口能夠精確的控制每個元素插入的位置，能夠通過索引(元素在List中位置，類似於數組的下標)來訪問List中的元素，第一個元素的索引爲 0，而且允許有相同的元素。 List 接口存儲一組不唯一，有序（插入順序）的對象。
3	Set Set 具有與 Collection 完全一樣的接口，只是行爲上不同，Set 不保存重複的元素。 Set 接口存儲一組唯一，無序的對象。
4	SortedSet 繼承於Set保存有序的集合。
5	Map Map 接口存儲一組鍵值對象，提供key（鍵）到value（值）的映射。
6	Map.Entry 描述在一個Map中的一個元素（鍵/值對）。是一個Map的內部類。
7	SortedMap 繼承於 Map，使 Key 保持在升序排列。
8	Enumeration 這是一個傳統的接口和定義的方法，通過它可以枚舉（一次獲得一個）對象集合中的元素。這個傳統接口已被迭代器取代。

Set和List的區別

1. Set 接口實例存儲的是無序的，不重複的數據。List 接口實例存儲的是有序的，可以重複的元素。
2. Set檢索效率低下，刪除和插入效率高，插入和刪除不會引起元素位置改變 <實現類有HashSet，TreeSet>。
3. List和數組類似，可以動態增長，根據實際存儲的數據的長度自動增長List的長度。查找元素效率高，插入刪除效率低，因爲會引起其他元素位置改變 <實現類有ArrayList，LinkedList，Vector> 。

三、Java中的常用集合實現類（集合類）

Java提供了一套實現了Collection接口的標準集合類。其中一些是具體類，這些類可以直接拿來使用，而另外一些是抽象類，提供了接口的部分實現。

標準集合類彙總於下表：

序號	類描述
1	AbstractCollection 實現了大部分的集合接口。
2	AbstractList 繼承於AbstractCollection 並且實現了大部分List接口。
3	AbstractSequentialList 繼承於 AbstractList ，提供了對數據元素的鏈式訪問而不是隨機訪問。
4	LinkedList 該類實現了List接口，允許有null（空）元素。主要用於創建鏈表數據結構，該類沒有同步方法，如果多個線程同時訪問一個List，則必須自己實現訪問同步，解決方法就是在創建List時候構造一個同步的List。例如： `List list=Collections.synchronizedList(new LinkedList(...));` LinkedList 查找效率低。
5	ArrayList 該類也是實現了List的接口，實現了可變大小的數組，隨機訪問和遍歷元素時，提供更好的性能。該類也是非同步的,在多線程的情況下不要使用。ArrayList 增長當前長度的50%，插入刪除效率低。
6	AbstractSet 繼承於AbstractCollection 並且實現了大部分Set接口。
7	HashSet 該類實現了Set接口，不允許出現重複元素，不保證集合中元素的順序，允許包含值爲null的元素，但最多隻能一個。
8	LinkedHashSet 具有可預知迭代順序的 Set 接口的哈希表和鏈接列表實現。
9	TreeSet 該類實現了Set接口，可以實現排序等功能。
10	AbstractMap 實現了大部分的Map接口。
11	HashMap HashMap 是一個散列表，它存儲的內容是鍵值對(key-value)映射。該類實現了Map接口，根據鍵的HashCode值存儲數據，具有很快的訪問速度，最多允許一條記錄的鍵爲null，不支持線程同步。
12	TreeMap 繼承了AbstractMap，並且使用一顆樹。
13	WeakHashMap 繼承AbstractMap類，使用弱密鑰的哈希表。
14	LinkedHashMap 繼承於HashMap，使用元素的自然順序對元素進行排序.
15	IdentityHashMap 繼承AbstractMap類，比較文檔時使用引用相等。

在前面的教程中已經討論通過java.util包中定義的類，如下所示：

序號	類描述
1	Vector 該類和ArrayList非常相似，但是該類是同步的，可以用在多線程的情況，該類允許設置默認的增長長度，默認擴容方式爲原來的2倍。
2	Stack 棧是Vector的一個子類，它實現了一個標準的後進先出的棧。
3	Dictionary Dictionary 類是一個抽象類，用來存儲鍵/值對，作用和Map類相似。
4	Hashtable Hashtable 是 Dictionary(字典) 類的子類，位於 java.util 包中。
5	Properties Properties 繼承於 Hashtable，表示一個持久的屬性集，屬性列表中每個鍵及其對應值都是一個字符串。
6	BitSet 一個Bitset類創建一種特殊類型的數組來保存位值。BitSet中數組大小會隨需要增加。

四、集合算法

集合框架定義了幾種算法，可用於集合和映射。這些算法被定義爲集合類的靜態方法。

在嘗試比較不兼容的類型時，一些方法能夠拋出 ClassCastException異常。當試圖修改一個不可修改的集合時，拋出UnsupportedOperationException異常。

集合定義三個靜態的變量（常量）：EMPTY_SET，EMPTY_LIST，EMPTY_MAP的。這些變量都不可改變。

序號	算法描述
1	Collection Algorithms 這裏是一個列表中的所有算法實現。

五、如何使用迭代器

通常情況下，你會希望遍歷一個集合中的元素。例如，顯示集合中的每個元素。

一般遍歷數組都是採用for循環或者增強for，這兩個方法也可以用在集合框架，但是還有一種方法是採用迭代器遍歷集合框架，它是一個對象，實現了Iterator 接口或ListIterator接口。

迭代器，使我們能夠通過循環來得到或刪除集合的元素。ListIterator 繼承了Iterator，以允許雙向遍歷列表和修改元素。

序號	迭代器方法描述
1	使用 Java Iterator 這裏通過實例列出Iterator和listIterator接口提供的所有方法。

1、遍歷 ArrayList

import java.util.*;

/**
 * 文件名：ArrayListDemo.java
 * 功能描述：迭代器的使用
 */
public class ArrayListDemo {
    public static void main(String[] args) {
        List<String> list = new ArrayList<String>();

        list.add("蘋果");
        list.add("香焦");
        list.add("梨");

        System.out.println("for ... each 遍歷方式：");
        for(String em:list) {
            System.out.println(em);
        }

        System.out.println("使用數組遍歷方式：");
        String[] strArray = new String[list.size()];
        list.toArray(strArray);
        for(int i=0;i<strArray.length;i++) {
            System.out.println(strArray[i]);
        }

        System.out.println("使用Iterator 遍歷方式：");

        Iterator<String> iterator = list.iterator();

        while(iterator.hasNext()) {
            System.out.println(iterator.next());
        }

    }
}

解析：

三種方法都是用來遍歷ArrayList集合，第三種方法是採用迭代器的方法，該方法可以不用擔心在遍歷的過程中會超出集合的長度。

2、遍歷 Map

import java.util.HashMap;
import java.util.Iterator;
import java.util.Map;

/**
 * 文件名：MapDemo.java
 * 功能描述：Map類型數據的遍歷Demo
 */
public class MapDemo {
    public static void main(String[] args) {
        Map<String,String> map = new HashMap<String,String>();
        map.put("001","張三");
        map.put("002","李四");
        map.put("003","王五");
        map.put("004","趙六");
        map.put("005","錢七");

        System.out.println("第1種方法，使用 for ... each 遍歷：");
        for(String key: map.keySet()) {
            //此方法最常用，但需二次取值，故速度最慢，是第2、3種方法速度的一半
            System.out.println("key:"+key+",value:"+map.get(key));
        }

        System.out.println("\n第2種方法，使用 迭代器 遍歷：");
        Iterator<Map.Entry<String,String>> it = map.entrySet().iterator();
        System.out.println("使用 for ... each 遍歷方式：");
        while(it.hasNext()) {
            //速度最快，且可以進行remove()這類的操作，it.remove();
            Map.Entry<String,String> entry = it.next();
            if(entry.getValue().equals("王五")) {
                it.remove();
                System.out.println("key:"+entry.getKey()+",value:"+entry.getValue()+" 已被刪除！");
                continue;
            }

            System.out.println("key:"+entry.getKey()+",value:"+entry.getValue());
        }

        System.out.println("\n第3種方法，使用 Map.Entry (Iterator簡化版) 遍歷：");
        for(Map.Entry<String,String> entry: map.entrySet()) {
            //此方法與第2種方法的速度是一樣的，由於使用 for ... each 方法，簡化了迭代器的使用，
            //也正是因爲使用 for ... each 方法，故無法進行remove()之類的操作
            System.out.println("key:"+entry.getKey()+",value:"+entry.getValue());
        }

        System.out.println("\n第4種方法，使用 map.values() 遍歷：");
        for(String v : map.values()) {
            //速度快，無法取得相應的key值
            System.out.println("value:"+v);
        }

    }
}

六、如何使用比較器

TreeSet和TreeMap的按照排序順序來存儲元素. 然而，這是通過比較器來精確定義按照什麼樣的排序順序。

這個接口可以讓我們以不同的方式來排序一個集合。

序號	比較器方法描述
1	使用 Java Comparator 這裏通過實例列出Comparator接口提供的所有方法

java的比較器有兩類，分別是Comparable接口和Comparator接口。在爲對象數組進行排序時，比較器的作用非常明顯，首先來講解Comparable接口。

1、Comparable比較器的使用：

讓需要進行排序的對象實現Comparable接口，重寫其中的 compareTo(T o)方法，在其中定義排序規則，那麼就可以直接調用 java.util.Arrays.sort()來排序對象數組，實例如下：

/**
 * 文件名：Student.java
 * 功能描述：實現了排序接口的Student類
 */
public class Student implements Comparable<Student> {
    private String name;
    private int age;
    private float score;

    public Student(String name, int age, float score) {
        this.name = name;
        this.age = age;
        this.score = score;
    }

    public String toString() {
        return String.format("%-10s%5d%15.1f",name,age,score);
    }

    @Override
    //排序需求，成績由高到低排列，如果成績相同，則按年齡由小到大排序
    public int compareTo(Student o) {
        if (this.score>o.score)
            return -1;//成績由高到低
        else if (this.score<o.score)
            return 1;
        else { //如果成績相同，年齡小者靠前
            if (this.age>o.age)
                return 1;//由小到大
            else if (this.age<o.age)
                return -1;
            else
                return 0;
        }
    }
}

測試文件：

/**
 * 文件名：StudentTest.java
 * 功能描述：測試Demo
 */
public class StudentTest {
    public static void main(String[] args) {
        Student[] students = {
                new Student("張三",8,78.0f),
                new Student("李四",20,100.0f),
                new Student("王五",19,78.0f),
                new Student("趙六",21,85.0f),
                new Student("錢七",23,63)
        };

        System.out.println("------------排序之前：-------------");
        for(Student stu: students) {
            System.out.println(stu);
        }

        java.util.Arrays.sort(students);

        System.out.println("------------排序之後：-------------");
        for(Student stu: students) {
            System.out.println(stu);
        }


    }
}

在上面的程序中，實現了Comparable接口，並重寫了compareTo方法，實現了學生成績由高到低排列，如果成績相同，則按年齡由小到大排序。

運行結果：

但是，我們在設計類的時候，可能並沒有考慮得很全面，並未讓Student類實現Comparable接口，那麼就需要用到另外的一個比較器接口：Comparator。

2、Comparator比較器的使用：

從上面的實例我們可以發現，Comparable的compareTo(T o)只有一個參數，而Comparator接口中必須要實現的compare(T o1,T o2)就有兩個參數。

代碼實例：

/**
 * 文件名：Student.java
 * 功能描述：未實現排序接口的Student類
 */
public class Student {
    private String name;
    private int age;
    private float score;

    public String getName() {
        return name;
    }

    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }

    public int getAge() {
        return age;
    }

    public void setAge(int age) {
        this.age = age;
    }

    public float getScore() {
        return score;
    }

    public void setScore(float score) {
        this.score = score;
    }

    public Student(String name, int age, float score) {
        this.name = name;
        this.age = age;
        this.score = score;
    }

    public String toString() {
        return String.format("%-10s%5d%15.1f",name,age,score);
    }
}

Student的外部排序實現類：

import java.util.Comparator;

/**
 * 文件名：StudentComparator.java
 * 功能描述：從外部實現對Student類的排序
 */
class StudentComparator implements Comparator<Student> {
    @Override
    //排序需求：實現成績由高到低排列，如果成績相同，則按年齡由小到大排序
    public int compare(Student o1, Student o2) {
        if (o1.getScore()>o2.getScore())
            return -1; //排序需求：成績由高到低
        else if (o1.getScore()<o2.getScore())
            return 1;
        else {
            if (o1.getAge()>o2.getAge())
                return 1; //排序需求：成績相同的話，年齡由大到小排序
            else if(o1.getAge()<o2.getAge())
                return -1;
            else
                return 0;
        }
    }
}

測試Demo文件：

/**
 * 文件名：StudentTest.java
 * 功能描述：測試Demo文件
 */

public class StudentTest {
    public static void main(String[] args) {
        Student[] students = {
                new Student("張三",8,78.0f),
                new Student("李四",20,100.0f),
                new Student("王五",19,78.0f),
                new Student("趙六",21,85.0f),
                new Student("錢七",23,63)
        };

        System.out.println("------------排序之前：-------------");
        for(Student stu: students) {
            System.out.println(stu);
        }

        java.util.Arrays.sort(students,new StudentComparator());

        System.out.println("------------排序之後：-------------");
        for(Student stu: students) {
            System.out.println(stu);
        }

    }
}

運行結果：

上面依然是對student對象數組進行排序，用的都是Arrays.sort方法，不同的是實現comparator接口時，sort方法需要傳進來兩個參數，即students對象數組，以及重寫的實現了comparator比較方法類。

程序運行的結果和上面是一樣的。

3、使用集合框架的方式操縱Student對象

能否改造一下StudentTest.java文件，使用集合框架的方式操縱數據呢？答案當然是可以！！！

import java.util.*;

public class StudentTest {
    public static void main(String[] args) {
        Student[] students = {
                new Student("張三丰",108,65),
                new Student("張三丰",108,20),
                new Student("李太白",78,75),
                new Student("趙　四",108,95),
                new Student("刀　哥",18,75),
                new Student("張豐子",108,100)
        };

        list<String> list = Arrays.asList(students);

/*
        List<Student> list = new ArrayList<Student>();
        list.add(new Student("張三丰",108,65));
        list.add(new Student("張三丰",108,20));
        list.add(new Student("李太白",78,75));
        list.add(new Student("趙　四",108,95));
        list.add(new Student("刀　哥",18,75));
        list.add(new Student("張豐子",108,100));
*/
        
        System.out.println("=============before of sort:============");
        for(Student stu:list) {
            System.out.println(stu);
        }

        Collections.sort(list, new Comparator<Student>() {
            @Override
            public int compare(Student o1, Student o2) {
                return (int)(o2.getScore()-o1.getScore());
            }
        });

        System.out.println("=============end of sort:===============");

        Iterator<Student> it = list.iterator();
        while(it.hasNext()) {
            Student stu = it.next();
            System.out.println(stu);
        }

    }
}

七、總結

Java集合框架爲程序員提供了預先包裝的數據結構和算法來操縱他們。

集合是一個對象，可容納其他對象的引用。集合接口聲明對每一種類型的集合可以執行的操作。

集合框架的類和接口均在java.util包中。

任何對象加入集合類後，自動轉變爲Object類型，所以在取出的時候，需要進行強制類型轉換。

八、演示DEMO源代碼在github上的倉庫地址：

https://github.com/xieyunc/java_demo.git

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Java第十一週作業

Java 集合框架

一、集合框架體系圖

二、Java中的常用集合接口

Set和List的區別

三、Java中的常用集合實現類（集合類）

四、集合算法

五、如何使用迭代器

1、遍歷 ArrayList

2、遍歷 Map

六、如何使用比較器

1、Comparable比較器的使用：

2、Comparator比較器的使用：

3、使用集合框架的方式操縱Student對象

七、總結

八、演示DEMO源代碼在github上的倉庫地址：

C#中的”四捨五入”--銀行家算法，即：四捨六入五取偶

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