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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:
java集合【2】——— Collection接口详解
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:
java集合【2】——— Collection接口详解

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ArrayListVector,LinkedListArrayListVector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。

java集合【2】——— Collection接口详解

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。

java集合【2】——— Collection接口详解

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:

java集合【2】——— Collection接口详解

  • 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HashMapTreeSet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SetListQueue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 &lt;T extends Comparable&lt;? super T&gt;&gt; void sort(List&lt;T&gt; 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 &lt;T&gt;int binarySearch(List&lt;? extends Comparable&lt;? super T&gt;&gt; list, T key),
  3. reverse(反转):public static void reverse(List&lt;?&gt; list)反转顺序
  4. Shuffling(混排):public static void shuffle(List&lt;?&gt; list),将list的元素随机打乱。
  5. 交换(swap):public static void swap(List&lt;?&gt; list, int i, int j)交换两个索引的元素
  6. 拷贝(copy):public static &lt;T&gt; void copy(List&lt;? super T&gt; dest, List&lt;? extends T&gt; 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 &lt;T extends Object & Comparable&lt;? super T&gt;&gt; T min(Collection&lt;? extends T&gt; coll)
  8. 返回最大的元素(max):static &lt;T extends Object & Comparable&lt;? super T&gt;&gt; T max(Collection&lt;? extends T&gt; 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&lt;?&gt; list, int distance)
  10. 替换所有元素(replaceAll):public static &lt;T&gt; boolean replaceAll(List&lt;T&gt; list, T oldVal, T newVal)
  11. 获取元素出现最后的索引(lastIndexOfSubList):public static int lastIndexOfSubList(List&lt;?&gt; source, List&lt;?&gt; 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。

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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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