集合框架的大管家：Collections 工具類

Collections 是 JDK 提供的一個工具類，位於 java.util 包下，提供了一系列的靜態方法，方便我們對集合進行各種騷操作，算是集合框架的一個大管家。

還記得我們前面講過的 Arrays 工具類嗎？可以回去溫習下。

Collections 的用法很簡單，在 Intellij IDEA 中敲完 Collections. 之後就可以看到它提供的方法了，大致看一下方法名和參數就能知道這個方法是幹嘛的。

爲了節省大家的學習時間，我將這些方法做了一些分類，並列舉了一些簡單的例子。

01、排序操作

reverse(List list)：反轉順序
shuffle(List list)：洗牌，將順序打亂
sort(List list)：自然升序
sort(List list, Comparator c)：按照自定義的比較器排序
swap(List list, int i, int j)：將 i 和 j 位置的元素交換位置

來看例子：

List<String> list = new ArrayList<>();
list.add("沉默王二");
list.add("沉默王三");
list.add("沉默王四");
list.add("沉默王五");
list.add("沉默王六");

System.out.println("原始順序：" + list);

// 反轉
Collections.reverse(list);
System.out.println("反轉後：" + list);

// 洗牌
Collections.shuffle(list);
System.out.println("洗牌後：" + list);

// 自然升序
Collections.sort(list);
System.out.println("自然升序後：" + list);

// 交換
Collections.swap(list, 2,4);
System.out.println("交換後：" + list);

輸出後：

原始順序：[沉默王二, 沉默王三, 沉默王四, 沉默王五, 沉默王六]
反轉後：[沉默王六, 沉默王五, 沉默王四, 沉默王三, 沉默王二]
洗牌後：[沉默王五, 沉默王二, 沉默王六, 沉默王三, 沉默王四]
自然升序後：[沉默王三, 沉默王二, 沉默王五, 沉默王六, 沉默王四]
交換後：[沉默王三, 沉默王二, 沉默王四, 沉默王六, 沉默王五]

02、查找操作

binarySearch(List list, Object key)：二分查找法，前提是 List 已經排序過了
max(Collection coll)：返回最大元素
max(Collection coll, Comparator comp)：根據自定義比較器，返回最大元素
min(Collection coll)：返回最小元素
min(Collection coll, Comparator comp)：根據自定義比較器，返回最小元素
fill(List list, Object obj)：使用指定對象填充
frequency(Collection c, Object o)：返回指定對象出現的次數

來看例子：

System.out.println("最大元素：" + Collections.max(list));
System.out.println("最小元素：" + Collections.min(list));
System.out.println("出現的次數：" + Collections.frequency(list, "沉默王二"));

// 沒有排序直接調用二分查找，結果是不確定的
System.out.println("排序前的二分查找結果：" + Collections.binarySearch(list, "沉默王二"));
Collections.sort(list);
// 排序後，查找結果和預期一致
System.out.println("排序後的二分查找結果：" + Collections.binarySearch(list, "沉默王二"));

Collections.fill(list, "沉默王八");
System.out.println("填充後的結果：" + list);

輸出後：

原始順序：[沉默王二, 沉默王三, 沉默王四, 沉默王五, 沉默王六]
最大元素：沉默王四
最小元素：沉默王三
出現的次數：1
排序前的二分查找結果：0
排序後的二分查找結果：1
填充後的結果：[沉默王八, 沉默王八, 沉默王八, 沉默王八, 沉默王八]

03、同步控制

HashMap 是線程不安全的，這個我們前面講到了。那其實 ArrayList 也是線程不安全的，沒法在多線程環境下使用，那 Collections 工具類中提供了多個 synchronizedXxx 方法，這些方法會返回一個同步的對象，從而解決多線程中訪問集合時的安全問題。

使用起來也非常的簡單：

SynchronizedList synchronizedList = Collections.synchronizedList(list);

看一眼 SynchronizedList 的源碼就明白了，不過是在方法裏面使用 synchronized 關鍵字加了一層鎖而已。

static class SynchronizedList<E>
    extends SynchronizedCollection<E>
    implements List<E> {
    private static final long serialVersionUID = -7754090372962971524L;

    final List<E> list;

    SynchronizedList(List<E> list) {
        super(list);
        this.list = list;
    }

    public E get(int index) {
        synchronized (mutex) {return list.get(index);}
    }
    
    public void add(int index, E element) {
        synchronized (mutex) {list.add(index, element);}
    }
    public E remove(int index) {
        synchronized (mutex) {return list.remove(index);}
    }
}

那這樣的話，其實效率和那些直接在方法上加 synchronized 關鍵字的 Vector、Hashtable 差不多（JDK 1.0 時期就有了），而這些集合類基本上已經廢棄了，幾乎不怎麼用。

public class Vector<E>
    extends AbstractList<E>
    implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable
{

    public synchronized E get(int index) {
        if (index >= elementCount)
            throw new ArrayIndexOutOfBoundsException(index);

        return elementData(index);
    }

    public synchronized E remove(int index) {
        modCount++;
        if (index >= elementCount)
            throw new ArrayIndexOutOfBoundsException(index);
        E oldValue = elementData(index);

        int numMoved = elementCount - index - 1;
        if (numMoved > 0)
            System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,
                             numMoved);
        elementData[--elementCount] = null; // Let gc do its work

        return oldValue;
    }
}

正確的做法是使用併發包下的 CopyOnWriteArrayList、ConcurrentHashMap。這些我們放到併發編程時再講。

04、不可變集合

emptyXxx()：製造一個空的不可變集合
singletonXxx()：製造一個只有一個元素的不可變集合
unmodifiableXxx()：爲指定集合製作一個不可變集合

舉個例子：

List emptyList = Collections.emptyList();
emptyList.add("非空");
System.out.println(emptyList);

這段代碼在執行的時候就拋出錯誤了。

Exception in thread "main" java.lang.UnsupportedOperationException
    at java.util.AbstractList.add(AbstractList.java:148)
    at java.util.AbstractList.add(AbstractList.java:108)
    at com.itwanger.s64.Demo.main(Demo.java:61)

這是因爲 Collections.emptyList() 會返回一個 Collections 的內部類 EmptyList，而 EmptyList 並沒有重寫父類 AbstractList 的 add(int index, E element) 方法，所以執行的時候就拋出了不支持該操作的 UnsupportedOperationException 了。

這是從分析 add 方法源碼得出的原因。除此之外，emptyList 方法是 final 的，返回的 EMPTY_LIST 也是 final 的，種種跡象表明 emptyList 返回的就是不可變對象，沒法進行增傷改查。

public static final <T> List<T> emptyList() {
    return (List<T>) EMPTY_LIST;
}

public static final List EMPTY_LIST = new EmptyList<>();

05、其他

還有兩個方法比較常用：

addAll(Collection<? super T> c, T... elements)，往集合中添加元素
disjoint(Collection<?> c1, Collection<?> c2)，判斷兩個集合是否沒有交集

舉個例子：

List<String> allList = new ArrayList<>();
Collections.addAll(allList, "沉默王九","沉默王十","沉默王二");
System.out.println("addAll 後：" + allList);

System.out.println("是否沒有交集：" + (Collections.disjoint(list, allList) ? "是" : "否"));

輸出後：

原始順序：[沉默王二, 沉默王三, 沉默王四, 沉默王五, 沉默王六]
addAll 後：[沉默王九, 沉默王十, 沉默王二]
是否沒有交集：否

整體上，Collections 工具類作爲集合框架的大管家，提供了一些非常便利的方法供我們調用，也非常容易掌握，沒什麼難點，看看方法的註釋就能大致明白乾嘛的。

不過，工具就放在那裏，用是一回事，爲什麼要這麼用就是另外一回事了。能不能提高自己的編碼水平，很大程度上取決於你到底有沒有去鑽一鑽源碼，看這些設計 JDK 的大師們是如何寫代碼的，學會一招半式，在工作當中還是能很快脫穎而出的。

恐怕 JDK 的設計者是這個世界上最好的老師了，文檔寫得不能再詳細了，代碼寫得不能再優雅了，基本上都達到了性能上的極致。

可能有人會說，工具類沒什麼鳥用，不過是調用下方法而已，但這就大錯特錯了：如果要你來寫，你能寫出來 Collections 這樣一個工具類嗎？

這纔是高手要思考的一個問題。

集合框架的大管家：Collections 工具類

01、排序操作

02、查找操作

03、同步控制

04、不可變集合

05、其他

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