【Java集合框架】3 - 2 Collection 单列集合顶级接口

§3-2 Collection 单列集合顶级接口

目录

• §3-2 Collection 单列集合顶级接口
  • 3-2.1 单列集合类体系结构
  • 3-2.2 单列集合常用的数据结构
  • 3-2.3 集合与泛型
  • 3-2.4 Collection 接口
  • 3-2.5 遍历方式
    • 3-2.5.1 使用迭代器遍历
    • 3-2.5.2 增强 for 循环遍历
    • 3-2.5.3 Lambda 表达式遍历
  • 3-2.6 参考

3-2.1 单列集合类体系结构

在正式学习集合框架前，先来看看集合框架的大体体系结构。

整个集合框架大体可分为以下两部分：

• Collection：单列集合，一次存储一个数据；
• Map：双列集合，一次存储一对数据；

这两部分都由大量的接口、抽象类和实现类构成。我们先来看看单列集合的类结构图：

可以看到，集合框架的设计是先定义好接口（定义一组标准的方法），再设计实现了接口的抽象类（对部分方法做通用实现或抛出异常 UnsupportedOperationException），实现子类再通过继承抽象类和实现接口以实现某个具体的数据结构。这种设计提高了接口的灵活性（按需重写方法）、可扩展性（接口变动不影响实现类，只需要更改相应的抽象类实现），以及满足了抽象类和接口的互补（接口规范行为，抽象类补充属性和接口实现的解耦）。

这种设计方法也用在了在后面的多线程和并发编程所用的锁中。

注意到，单列集合中含有用于并发编程的并发集合，这些集合在并发环境中是线程安全的，这些集合会在多线程与 JUC 并发编程章节中介绍。

单列集合的类体系结构比较庞大，但我们只需要重点关注其中几个常用的数据结构即可。

3-2.2 单列集合常用的数据结构

现在，我们来看看 Collection 单列集合常用的几个数据结构，如下图所示：

Collection 集合又被分为了两类， List 和 Set：

• List 系列集合：添加的元素是有序的、可重复、有索引；
• Set 系列集合：添加的元素是无序的、无重复、无索引；

其中的 “有序” 并非指前一章节所言的经排序后的有序，而是数据的存取顺序一致。

其中，Vector 已经被市场所淘汰，仅作了解即可，不需要深入学习。

3-2.3 集合与泛型

在 JDK 5 前，Java 还不支持泛型，这意味着，对于一个集合，它可以允许任意一种数据类型（必须为引用类型）存入集合中。

这种方法在遍历的时候就会出现问题，此时集合中的元素的类型为 Object，使得集合能够存放各种类型的数据，但受限于多态，在不进行强制类型转换的情况下，无法调用子类的特有方法。

而强行使用强制类型转换所带来的可能后果就是可能会抛出 ClassCastException 异常，而遍历时做类型判断和强制转换会使得代码变得十分臃肿，且不易于编写，十分麻烦。

JDK 5 引入的泛型就能很好地解决这一问题，它限定将集合中的元素类型，避免了多态所产生的上述问题，将运行时可能发生的异常提前到了编译时期，有助于开发者更好地定位、解决问题。

但也要注意，Java 中的泛型实际上是伪泛型。在集合中，Java 仅仅保证在添加元素时的元素的数据类型，实际上，元素一旦进入集合，其仍然是以 Object 的形式存储。当要取出元素时，再次通过泛型将元素强制转换。

这一点通过源码分析和反编译字节码文件可以很好地体现。

3-2.4 Collection 接口

Collection 是单列集合的父类接口，其功能可以由所有单列集合使用。

方法：

方法	描述
boolean add(E e)	把给定的对象添加到当前集合中
void clear()	清空集合中所有元素
boolean remove(E e)	删除集合中的给定对象
boolean contains(Object obj)	判断当前集合中是否包含给定对象
boolean isEmpty()	判断当前集合是否为空
int size()	返回集合中元素个数 / 集合大小（长度）

注意：

• 在 List 系列中使用 add() 添加元素，方法总是返回 true，表示成功添加元素；
• 在 Set 系列中使用 add() 添加元素，若该元素不存在，则返回 true，并成功添加该元素；反之失败，返回 false；
• 在 List 系列中，重载了 remove() 方法，使得其可以通过索引删除指定元素，但该重载并不存在于 Collection 和 Set 中；
• 使用 remove() 方法删除指定元素，若该元素存在，则将其删除，并返回 true；若不存在，则删除失败，返回 false；
• 使用 contains() 方法判断元素存在性时，在底层调用的是 equals() 方法，因此，在 Java Bean 类中，应当重写 equals() 方法；
• isEmpty() 方法在底层实际上就是判断当前集合的大小是否为 0；

3-2.5 遍历方式

Collection 内元素有多种不同的遍历方式。

3-2.5.1 使用迭代器遍历

Iterator<E> 是一个接口，位于 java.util 包下。迭代器是集合专用的遍历方式，其最大特点是不依赖索引。

方法：

方法	描述
Iterator<E> iterator()	返回迭代器对象，默认指向当前集合的起始处
boolean hasNext()	判断当前位置是否有元素，有则返回 true，无则返回 false
E next()	获取当前位置元素，并将迭代器对象移向下一位置
void remove()	从集合中，删除迭代器返回的最后一个元素（可选操作）

示例：使用迭代器遍历

 public static void main(String[] args) {
     //创建集合
     Collection<String> coll = new ArrayList<>();

     //添加元素
     coll.add("aaa");
     coll.add("bbb");
     coll.add("ccc");
     coll.add("ddd");

     //使用迭代器遍历
     //通过集合获取迭代器对象，默认指向起始处
     Iterator<String> it = coll.iterator();
     while (it.hasNext()) {    //判断当前位置是否存在元素
         System.out.println(it.next());    //返回当前位置的元素，并移动迭代器
     }
 }

注意：

1. 遍历完毕后，迭代器不会复位，若需要二次遍历，只能用同样的方法获取新的迭代器对象；

2. 若返回不存在的元素（不存在更多元素）时，会抛出异常 NoSuchElementException；

3. 循环中只能用一次 next() 方法；

4. 使用迭代器遍历时，不能用集合的方法添加或删除元素，否则抛出异常 ConcurrentModificationException（并发修改异常）；

   此时，应当考虑使用迭代器中的 remove() 方法，但注意，该方法删除的是迭代器上一次返回的元素；

   暂时无法在此时临时添加元素；

3-2.5.2 增强 for 循环遍历

增强 for 自 JDK 5 后出现，其底层就是迭代器，为了简化迭代器的代码书写。

增强 for 使用了第三方变量接收可迭代对象或数组的对应值。

仅所有的单列集合和数组才可以使用增强 for 遍历。

示例：

 public static void main(String[] args) {
     //创建集合
     Collection<String> coll = new ArrayList<>();

     //添加元素
     coll.add("aaa");
     coll.add("bbb");
     coll.add("ccc");
     coll.add("ddd");

     //增强 for 遍历：单列集合和数组
     for (String s: coll) {
         System.out.println(s);
     }
 }

注意：

• 由于增强 for 使用第三方变量记录数据，修改第三方变量不会修改可迭代对象或数组中的值；

3-2.5.3 Lambda 表达式遍历

JDK 8 引入了 Lambda 表达式，提供了一种更简单、更直接的遍历方式。

方法	描述
default void forEach(Consumer<? super T> action)	结合 Lambda 表达式遍历集合

该方法位于接口 java.lang.Iterable 中，其中，Consumer<T> 是一个位于 java.util.function 包下的函数式接口，代表一种接受一个输入参数且无返回值的操作，可用 Lambda 表达式简化。

forEach() 默认方法体：

default void forEach(Consumer<? super T> action) {
    Objects.requireNonNull(action);
    for (T t : this) {
        action.accept(t);
    }
}

示例：

 public static void main(String[] args) {
     //创建集合
     Collection<String> coll = new ArrayList<>();

     //添加元素
     coll.add("aaa");
     coll.add("bbb");
     coll.add("ccc");
     coll.add("ddd");

     //使用匿名内部类
     coll.forEach(new Consumer<String>() {
         @Override
         public void accept(String s) {
             System.out.println(s);
         }
     });

     //Lambda 表达式
     coll.forEach(s -> System.out.println(s));
 }

ArrayList 重写了父接口 Iterable 中的 forEach 方法，其内部使用标准 for 循环。

3-2.6 参考

Java集合为什么设计为：实现类继承了抽象类，同时实现抽象类实现的接口 - 渊渟岳 - 博客园 (cnblogs.com)