java集合【2】——— Collection接口详解

一、Collection接口简介

collection在java集合中，算是顶级接口，它继承了iterable接口，不能实例化，只能实例化其子类。之所以需要这样一个接口，是因为java作为面向对象，总是避免不了处理多个对象的情况，要处理多个对象，首先需要容器存储，这个容器就是集合。为什么有了数组，还需要集合，因为数组的功能单一，长度不可变，而有些集合实现类则是对数组操作的封装。

Collection集合和数组的区别：

• 集合长度可以变，数组是定长的
• 集合存储的元素只能是引用类型，而数组则可以是基本类型
• 数组只能执行基本操作，而集合功能经过拓展，更加丰富。

graph TD;
Collection -->List-有顺序,可重复 
List-有顺序,可重复  -->LinkedList-使用链表实现,线程不安全
List-有顺序,可重复  -->ArrayList-数组实现,线程不安全
List-有顺序,可重复  -->Vector-数组实现,线程安全
Vector-数组实现,线程安全 -->Stack-堆栈,先进后出

Collection-->Set-不可重复,内部排序
Set-不可重复,内部排序-->HashSet-hash表存储
HashSet-hash表存储-->LinkHashSet-链表维护插入顺序
Set-不可重复,内部排序-->TreeSet-二叉树实现,排序

Collection-->Queue-队列,先进先出

二、Collection源码分析

Collection继承于Iterable接口，而Iterable接口，是集合的顶级接口，没有之一，Iterable接口定义的功能是可以迭代，也就是获取迭代器iterator的功能，因此Collection以及其实现类也间接获得迭代的功能。

为什么需要这样子定义呢？我陷入了深深地思考...

其实，这也算是哲学问题，java的类的设计是经过很长时间的考验以及调整形成的，平衡修改以及耦合等各方面的原因，结构更加清晰，维护成本更低，逻辑性更强。这些接口就是一个个标准或者规范，其子类就是不断拓展功能，这些接口的形成是一种抽象，将能迭代事物抽象成为迭代器iterator,将获取迭代器，也就是迭代能力抽象成iterable。 Collection则是获得迭代能力的接口之一，其实Map的实现类里面也是有使用到iterable接口，几乎所有的集合实现类都是需要遍历元素的，所以这个iterable也是必须存在的，存在即合理。

下面看Collection接口以及iterable接口的方法对比： 从上面的图我们可以看出，iterable接口功能主要是

• 获取迭代器iterator
• foreach()遍历
• 获取可切分迭代器Spliterator

Collection接口在此基础上进行拓展，源码接口如下：

boolean add(Object o)    //添加元素

boolean remove(Object o)  //移除元素

boolean addAll(Collection c) //批量添加

boolean removeAll(Collection c)  //批量移除

void retainAll(Collection c)   // 移除在c中不存在的元素

void clear()  //清空集合

int size()   //集合大小

boolean isEmpty()    //是否为空

boolean contains(Object o)    //是否包含在集合中

boolean containsAll(Collection c)    //是否包含所有的元素

Iterator<E> iterator()    // 获取迭代器

Object[] toArray()	  // 转成数组

default boolean removeIf(Predicate<? super E> filter) {} // 删除集合中复合条件的元素，删除成功返回true

boolean equals(Object o)

int hashCode()

default Spliterator<E> spliterator() {} //获取可分割迭代器

default Stream<E> stream() {}   //获取流

default Stream<E> parallelStream() {} //获取并行流

里面获取并行流的方法parallelStream(),其实就是通过默认的ForkJoinPool（主要用来使用分治法(Divide-and-Conquer Algorithm)来解决问题），提高多线程任务的速度。我们可以使用ArrayList来演示一下平行处理能力。例如下面的例子，输出的顺序就不一定是1,2,3...，可能是乱序的，这是因为任务会被分成多个小任务，任务执行是没有特定的顺序的。

List<Integer> list = Arrays.asList(1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9);
list.parallelStream()
       .forEach(out::println);

上面源代码可以看出，Collection接口定义了功能规范，有以下功能方法：

• 添加元素
• 删除元素
• 判断是否包含/是否全部包含/是否为空
• 获取迭代器/可分割迭代器
• 获取长度
• 取交集
• 获取流/并行流

我们遍历元素的时候可以获取Iterator,但是具体的实现是以子类的特性去实现的，比如ArrayList是用内部类的方式实现了Iterator接口。

三、Collection的子类以及子类的实现

继承Collection的子类关系如下：

上面的类图已经足够清楚，下面是一些简单的概括（上面的类型是使用IDEA的类图功能自动生成，简直不能太好用感觉发现了新大陆）

3.1 List extend Collection<E>

继承于Collection接口，有顺序，取出的顺序与存入的顺序一致，有索引，可以根据索引获取数据，允许存储重复的元素，可以放入为null的元素。
最常见的三个实现类就是ArrayList，Vector,LinkedList，ArrayList和Vector都是内部封装了对数组的操作，唯一不同的是，Vector是线程安全的，而ArrayList不是，理论上ArrayList操作的效率会比Vector好一些。

里面是接口定义的方法：

int size();  //获取大小

boolean isEmpty();  //判断是否为空

boolean contains(Object o);  //是否包含某个元素

Iterator<E> iterator(); //获取迭代器

Object[] toArray();  // 转化成为数组（对象）

<T> T[] toArray(T[] a);  // 转化为数组（特定位某个类）

boolean add(E e); //添加

boolean remove(Object o);  //移除元素

boolean containsAll(Collection<?> c); // 是否包含所有的元素

boolean addAll(Collection<? extends E> c); //批量添加

boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c); //批量添加，指定开始的索引

boolean removeAll(Collection<?> c); //批量移除

boolean retainAll(Collection<?> c); //将c中不包含的元素移除

default void replaceAll(UnaryOperator<E> operator) {}//替换

default void sort(Comparator<? super E> c) {}// 排序

void clear();//清除所有的元素

boolean equals(Object o);//是否相等

int hashCode(); //计算获取hash值

E get(int index); //通过索引获取元素

E set(int index, E element);//修改元素

void add(int index, E element);//在指定位置插入元素

E remove(int index);//根据索引移除某个元素

int indexOf(Object o);  //根据对象获取索引

int lastIndexOf(Object o); //获取对象元素的最后一个元素

ListIterator<E> listIterator(); // 获取List迭代器

ListIterator<E> listIterator(int index); // 根据索引获取当前的位置的迭代器

List<E> subList(int fromIndex, int toIndex); //截取某一段数据

default Spliterator<E> spliterator(){} //获取可切分迭代器

上面的方法都比较简单，值得一提的是里面出现了ListIterator，这是一个功能更加强大的迭代器，继承于Iterator,只能用于List类型的访问，拓展功能例如：通过调用listIterator()方法获得一个指向List开头的ListIterator，也可以调用listIterator(n)获取一个指定索引为n的元素的ListIterator,这是一个可以双向移动的迭代器。
操作数组索引的时候需要注意，由于List的实现类底层很多都是数组，所以索引越界会报错IndexOutOfBoundsException。
说起List的实现子类：

• ArrayList：底层存储结构是数组结构，增加删除比较慢，查找比较快，是最常用的List集合。线程不安全。
• LinkedList：底层是链表结构，增加删除比较快，但是查找比较慢。线程不安全。
• Vector：和ArrayList差不多，但是是线程安全的，即同步。

3.2 Set extend Collection<E>

Set接口，不允许放入重复的元素，也就是如果相同，则只存储其中一个。

下面是源码方法：

int size(); //获取大小

boolean isEmpty();  //是否为空
 
boolean contains(Object o); //是否包含某个元素

Iterator<E> iterator(); //获取迭代器

Object[] toArray(); //转化成为数组

<T> T[] toArray(T[] a); //转化为特定类的数组

boolean add(E e);   //添加元素

boolean remove(Object o);   //移除元素

boolean containsAll(Collection<?> c);   //是否包含所有的元素

boolean addAll(Collection<? extends E> c);  //批量添加

boolean retainAll(Collection<?> c); //移除所有不存在于c集合中的元素

boolean removeAll(Collection<?> c); //移除所有在c集合中存在的元素

void clear();   //清空集合

boolean equals(Object o);   //是否相等

int hashCode(); //计算hashcode

default Spliterator<E> spliterator() {}     //获取可分割迭代器
        

主要的子类：

• HashSet
  • 允许空值
  • 通过HashCode方法计算获取hash值，确定存储位置，无序。
  • 底层是哈希表，一个元素为链表的数组
• LinkedHashSet
  • HashSet的子类
  • 有顺序
  • 底层由哈希表组成
• TreeSet
  • 如果无参数构建Set，则需要实现Comparable方法。
  • 亦可以创建时传入比较方法，用于排序。

3.3 Queue extend Collection<E>

队列接口，在Collection接口的接触上添加了增删改查接口定义，一般默认是先进先出，即FIFO，除了优先队列和栈，优先队列是自己定义了排序的优先顺序，队列中不允许放入null元素。

下面是源码：

boolean add(E e);   //插入一个元素到队列，失败时返回IllegalStateException （如果队列容量不够）

boolean offer(E e); //插入一个元素到队列，失败时返回false

E remove(); //移除队列头的元素并移除

E poll();   //返回并移除队列的头部元素，队列为空时返回null

E element();    //返回队列头元素

E peek();   //返回队列头部的元素，队列为空时返回null

主要的子接口以及实现类有：

• Deque（接口）:Queue的子接口，双向队列，可以从两边存取
  • ArrayDeque：Deque的实现类，底层用数组实现，数据存贮在数组中
• AbstractQueue：Queue的子接口，仅实现了add、remove和element三个方法
  • PriorityQueue：按照默认或者自己定义的顺序来排序元素，底层使用堆（完全二叉树）实现，使用动态数组实现，
• BlockingQueue： 在java.util.concurrent包中，阻塞队列，满足当前无法处理的操作。

对于Collection集合我们应该使用哪一个？

每个实现都有自己的特点，重要的是知道当前数据以及业务的特点，选取最适合的集合类进行数据操作。

• 元素唯一（Set）
  • 需要排序
    • 唯一，有序 （自定义排序）：TreeSet（速度较慢）
    • FIFO，按照插入顺序，唯一：LinkedHashSet（速度较快）
  • 不需要排序：HashSet（速度最快）
• 元素唯一
  • 列表：List
    • 线程安全：Vector
    • 接受线程不安全
      • 查询比较多：ArrayList
      • 增加删除操作较多：LinkedList
  • 排队
    • 普通排队 ：Queue的子类
    • 两端都可以排队：ArrayDeque
    • 按照自己定义的规则排序：PriorityQueue
    • 处理排队当前无法处理太多请求（相当于缓冲）：阻塞队列接口BlockingQueue

四、Collection和Map的辨析

• Collection接口是存储单列元素，而Map是键值对<Key,Value>，也就是存储了双列元素。
• Collection接口继承了Iterable接口，而Map则不是，Map是在各自的实现类中才用内部类的方式实现Iterator接口，例如HashMap，key或者value或者它们的组合entry都可以使用迭代器进行遍历。
• 两个的子类其实是有交集的，比如HashSet的底层实现其实就是定义了一个HashMap，TreeSet同样依赖于Map接口的子实现类TreeMap。

Map集合可以存储键值对，可以获取所有的键，或者值或者键值对，键不允许重复，但是值可以重复。 随便说说Map相关的子类：

• HashTable:
  • 源于JDK1.1，底层使用数组和链表
  • 线程安全，不允许null作为key或者value
• HashMap:
  • 源于JDK1.2，JDK1.7以及之前使用数组+链表实现，JDK1.8使用数组+链表/红黑树
  • 线程不安全
• LinkedHashMap:
  • 保存了插入的顺序，可以按照顺序遍历
• TreeMap:
  • 实现了SortMap接口，可以把保存的记录按照键排序
  • 底层是用红黑树实现

五、Collection和Collections的辨析

（1）.Collection是集合的顶级接口之一，衍生出了Set，List，Queue等一系列接口以及实现类。而Collections是一个辅助类，就是实现一些排序，搜索，线程安全等功能，它主要体现的功能是操作集合，而Collection则是集合本身。

（2）.Collection是接口，其本身不能实例化，但是可以实例化为其子类或者实现类，但是Collections是包装类，一般不会实例化，直接调用static方法。

Collections接口主要提供了以下操作，只展示了部分，详细需要后面文章说：

1. Sort（排序）：public static <T extends Comparable<? super T>> void sort(List<T> list)，元素需要实现Comparable接口，按照比较器进行排序。
2. binarySearch（二分搜索）:public static <T>int binarySearch(List<? extends Comparable<? super T>> list, T key),
3. reverse(反转)：public static void reverse(List<?> list)反转顺序
4. Shuffling(混排)：public static void shuffle(List<?> list),将list的元素随机打乱。
5. 交换（swap）：public static void swap(List<?> list, int i, int j)交换两个索引的元素
6. 拷贝（copy）:public static <T> void copy(List<? super T> dest, List<? extends T> src)，copy出一个内容一致的list。
7. 返回最小的元素（min）：所谓大小，根据指定的比较器决定，static <T extends Object & Comparable<? super T>> T min(Collection<? extends T> coll)
8. 返回最大的元素（max）：static <T extends Object & Comparable<? super T>> T max(Collection<? extends T> coll)
9. 旋转（Rotate）：将一个List旋转，假如有个序列列list是[1,2,3,4]，调用方法Collections.rotate(list, 1)后，得到list就变成[4,1,2,3]，public static void rotate(List<?> list, int distance)
10. 替换所有元素（replaceAll）：public static <T> boolean replaceAll(List<T> list, T oldVal, T newVal)
11. 获取元素出现最后的索引（lastIndexOfSubList）：public static int lastIndexOfSubList(List<?> source, List<?> target)

六、总结

Collection接口继承了iterable接口，是集合的顶级接口之一，衍生接口有List,Set,Queue等，主要定义了元素的基本操作，删除，添加等等方法，迭代一个Collection可以使用Iterator，但是Collection本身不能实例化。

【作者简介】： 秦怀，公众号【秦怀杂货店】作者，技术之路不在一时，山高水长，纵使缓慢，驰而不息。这个世界希望一切都很快，更快，但是我希望自己能走好每一步，写好每一篇文章，期待和你们一起交流。

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