Java 核心技术-集合-集合框架

说在前面的话：

关于Core Java 集合方面的博文网上已经写烂了，为啥我还要写呢？ 

答：他们写的都很好，我也学到不少东西，如果把我当做一个系统的话，学习别人、看书、读源码是输入，但是往往形不成一个回路，形不成回路就会与行业脱节，所以我也要输出一些东西，尽管这些东西大家耳熟能详。

本文适合的读者？

答：会简单用Java 集合类库，看过core java volume 1但是不知其所以然的同学。

废话不多说，大家找你们感兴趣的点吧，也可以多多提提建议。

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没有目录的博文都是耍流氓。

集合框架

视图与包装器

视图技术的应用

　　轻量级集包装器

　　子范围

　　不可修改的视图

　　同步视图

　　检查视图

　　关于可选操作的说明

批处理

数组与集合之间的转换

集合框架

框架是一个类的集，它奠定了创建高级功能的基础。框架包含很多超类，这些超类拥有非常有用的功能、策略和机制。框架使用者创建的子类可以扩展超类的功能，而不必重新创建这些有用的机制。

Java集合类库中有很多有用的接口、抽象类和具体类，这些对使用者来说非常有帮助，你需要用的时候直接拿来用就可以了，需要扩展功能的实现相应的接口和扩展类即可。

集合类库的接口关系图这里就不画了，基本的接口有Collection和Map。还有Iterator接口。这些接口被一些更具体的接口继承，来提供某种具体集合的服务。除此之外，还有一个标记接口RandomAccess，这个接口没有任何方法，只是用来检测一个特定的集合是否支持高效的随机访问。

视图与包装器

使用视图可以获得其他的实现了集合接口和映射表接口的对象。

例如：映射表类的keySet方法，看起来好像它创建了一个新集(Set),并将映射表中的所有键都填进去，然后返回这个集。事实是该方法返回一个实现Set接口的类对象，这个类方法对原映射表进行操作。这种集合就称为视图。

视图技术的应用

轻量级集包装器

Arrays类的静态方法asList将返回一个包装了普通Java数组的List包装器，该方法可以将数组传递给一个希望得到列表或者集合变量的方法。

String[] values = new String[10];
List<String> aList = Arrays.asList(values);

返回的对象不是ArrayList，而是一个视图对象，带有访问底层数组的get和set方法。改变数组大小的所有方法都会抛出一个异常（不支持的操作）。

源码解析：

// Arrays asList方法源码
@SafeVarargs
public static <T> List<T> asList(T... a) {
// 返回构造的ArrayListd对象，注意构造方法的参数，并不是java.util.ArrayList支持的参数。
        return new ArrayList<>(a); 
}

这里使用的ArrayList类是Arrays的内部类

private static class ArrayList<E> extends AbstractList<E>
        implements RandomAccess, java.io.Serializable
    {
        private static final long serialVersionUID = -2764017481108945198L;
        private final E[] a;
        ArrayList(E[] array) { // 构造函数接收数组作为参数
            if (array==null)
                throw new NullPointerException();
            a = array;
        }
        public Object[] toArray() {  //默认的toArray方法返回Object[]
            return a.clone();
        }
        public <T> T[] toArray(T[] a) {  //返回传入参数类型的数组
            int size = size();
            if (a.length < size)
                return Arrays.copyOf(this.a, size,
                                     (Class<? extends T[]>) a.getClass());
            System.arraycopy(this.a, 0, a, 0, size);
            if (a.length > size)
                a[size] = null;
            return a;
        }
     // 没有覆盖add remove等改变数组大小的方法
     // get set indexof contains 方法省略……
     }

为什么改变数组的大小的方法会抛出异常呢？ ArrayList<E> 继承自AbstractList类，AbstractList类中定义的改变数组大小的方法默认抛出异常。

public void add(int index, E element) {
        throw new UnsupportedOperationException();
}
public E remove(int index) {
        throw new UnsupportedOperationException();
}

下一个操作，Collections.nCopies();

List<anObject> oList = Collections.nCopies(n,anObject);

将返回一个实现了List接口的不可修改的对象（不能修改引用，并没说对象本身不可以修改）。

该方法和Arrays.asList()方法类似，也是返回一个内部类（CopiesList）的对象，该内部类继承AbstractList类，没有覆盖修改对象的方法（所以不支持修改该对象）

public static <T> List<T> nCopies(int n, T o) {
        if (n < 0)
            throw new IllegalArgumentException("List length = " + n);
        return new CopiesList<>(n, o);
}
private static class CopiesList<E>
        extends AbstractList<E>
        implements RandomAccess, Serializable
    {
        private static final long serialVersionUID = 2739099268398711800L;
        final int n;
        final E element;  // 只有这一个元素，对外看起来就像是有n个元素一样
        CopiesList(int n, E e) {
            assert n >= 0;
            this.n = n;
            element = e;
        }
        public boolean contains(Object obj) {
            return n != 0 && eq(obj, element);
        }
        public int indexOf(Object o) {
            return contains(o) ? 0 : -1;
        }
        public int lastIndexOf(Object o) {
            return contains(o) ? n - 1 : -1;
        }
        public E get(int index) {
            if (index < 0 || index >= n)
                throw new IndexOutOfBoundsException("Index: "+index+ ", Size: "+n);
            return element;
        }
        public Object[] toArray() {
            final Object[] a = new Object[n];
            if (element != null)
                Arrays.fill(a, 0, n, element);
            return a;
        }
        public <T> T[] toArray(T[] a) {
            final int n = this.n;
            if (a.length < n) {
                a = (T[])java.lang.reflect.Array
                    .newInstance(a.getClass().getComponentType(), n);
                if (element != null)
                    Arrays.fill(a, 0, n, element);
            } else {
                Arrays.fill(a, 0, n, element);
                if (a.length > n)
                    a[n] = null;
            }
            return a;
        }
        public List<E> subList(int fromIndex, int toIndex) {
            if (fromIndex < 0)
                throw new IndexOutOfBoundsException("fromIndex = " + fromIndex);
            if (toIndex > n)
                throw new IndexOutOfBoundsException("toIndex = " + toIndex);
            if (fromIndex > toIndex)
                throw new IllegalArgumentException("fromIndex(" + fromIndex + ") > toIndex(" + toIndex + ")");
            return new CopiesList<>(toIndex - fromIndex, element);
        }
}

同理 Collections 类中还有很多方法都是按照类似的节奏来对外提供服务的，Collections.singleton(anObject); 返回一个视图对象，该对象实现了Set<E>接口，其实是继承了AbstractSet抽象类。返回的对象实现了一个不可修改的单元素集。

singletonList方法和singletonMap方法类似。具体请参见Collections源代码。

（源码面前，了无秘密）

子范围

很多集合都支持建立子范围(subrange)视图。对于列表，可以使用subList方法来获得一个列表的子范围视图。

List<String> group = aList.subList(10,20);

可以将任何操作应用于子范围(包括改变列表大小，也可以清空)，并且能够自动反映整个列表的情况（因为子范围返回的对象是列表内部类的对象，也就是列表的视图，它们共用一份数组。）

对于有序集和映射表，可以使用排序顺序而不是元素位置建立子范围。

SortedSet<E>  subSet(E from,E to)
SortedSet<E>  headSet(E to)
SortedSet<E>  tailSet(E from)
SortedMap<K,V>  subMap(K from , K to)
SortedMap<K,V>  headMap(K to)
SortedMap<K,V>  tailMap(K from)

以上方法返回有序集和映射表的视图。

Java SE 6引入NavigableSet接口赋予子范围操作更多的控制能力。可以指定是否包含边界：

NavigableSet<E>  subSet(E from,boolean fromInclusive, E to, boolean toInclusive)
NavigableSet<E>  headSet(E to,boolean toInclusive)
NavigableSet<E>  tailSet(E from,boolean fromInclusive)

不可修改视图

Collections 还有几个方法用于产生集合的不可修改视图，这些视图对现有集合增加一个运行时的检查。如果发现试图对集合进行修改，就抛出一个异常，同时这个集合将保持未修改的状态。

这些方法有：

Collections.unmodifiableCollection
Collections.unmodifiableList
Collections.unmodifiableSet
Collections.unmodifiableSortedSet
Collections.unmodifiableMap
Collections.unmodifiableSortedMap

不可修改视图并不是集合本身不可修改。仍然可以通过集合的原始引用进行修改。

同步视图

由于普通集合类不能保证被多线程访问的安全性。

类库的设计者提供了一种视图机制保证常规集合的线程安全，而不是实现线程安全的集合类。例如： Collections类的静态synchronizedMap方法可以将任何一个映射表转换成具有同步访问方法的Map。

Map<String,Employee> map =
Collections.synchronizedMap(new HashMap<String,Employee>());

通过源码我们可以了解到，集合框架Collections 给我们提供了很多有用的内部类，这些内部类担当常规集合的同步视图，个人感觉有点像装饰者模式。为了让大家有一个直观的认识，这些同步内部类的继承结构如下图所示（原谅我作图实在是。）：

其实同步视图的原理是在访问常规集合的时候加了个锁，具体可以参见源码。很清晰，也很简单。

检查视图

Java SE 5 增加了一组“检查”视图，用来对泛型类型发生问题时提供调试支持。

错误举例：

ArrayList<String> strings = new ArrayList<>();
ArrayList rawList = strings;
rawList.add(new Date());   // add不会出错，另一部分代码调用get方法，并转换为String 就会抛出异常了。

检查视图可以探测到这类问题。

List<String>  safeStrings = Collections.checkedList(strings,Sring.class);

原理其实很简单，在调用集合add方法之前检验下添加元素的类型和集合元素的类型是否匹配。

源码如下：

        void typeCheck(Object o) {
            if (o != null && !type.isInstance(o))
                throw new ClassCastException(badElementMsg(o));
        }
        private String badElementMsg(Object o) {
            return "Attempt to insert " + o.getClass() +
                " element into collection with element type " + type;
        }
        CheckedCollection(Collection<E> c, Class<E> type) {
            if (c==null || type == null)
                throw new NullPointerException();
            this.c = c;
            this.type = type;
        }

关于可选操作的说明

通常，视图有一些局限性，可能只可以读、无法改变大小、只支持删除而不支持插入，这些与映射表的键视图情况相同。如果试图进行恰当的操作，受限制视图就会抛出 UnsupportedOperationException。

这样很好的限制了接口数量的成倍增加。

批操作

使用类库中的批操作避免频繁的使用迭代器

集合批操作	批操作含义
retainAll(Collection<?> c):boolean	保留参数中不存在的元素
removeAll(Collection<?> c):boolean	删除参数中存在的元素
addAll(Collection<?> c):boolean	添加参数中存在的元素
clear():void	清空集合

集合与数组之间的转换

由于集合框架比Java平台的大部分API生的晚，所以有时候为了兼容，需要在传统的数组和现代的集合之间进行转换。

数组转换为集合,Arrays.asList的包装器可以实现：

String [] values = ...;
HashSet<String> staff = new HashSet<String>(Arrays,asList(values));

将集合转换为数组：

(1)   使用toArray方法

Object[] values = staff.toArray();

这样做的结果是产生一个对象数组。即使知道集合中包含一个特定类型的对象，也不能使用类型转换。

String[] values = (String[]) staff.toArray();  //error

toArray方法返回的数组是一个Object[]数组，无法改变其类型。

(2)   使用另外一种toArray方法，并将其设计为所希望的元素类型且长度为0的数组，随后所返回的数组将和所创建的数组一样：

String[] values = staff.toArray(new String[0]); // right