java集合(一)—数据结构详解(Java集合框架

当我们要处理一串数据的时候,相比较c++和c中的数组和指针,在Java中我们更为常用的是ArrayList、HashMap等集合数据结构。c语言对指针的支持成就了他的深度,而Java中多种多样的包装类成就了他的广度。在java中,我们一般将List、Map、Set等数据结构通归为集合数据结构,这些类都存在于集合类库中。

(一) 集合接口

1.集合的接口和实现分离

与其他的数据结构类库相似的,java的集合类库也采用了这种接口和实现分离的方法。

这种方法的好处是不言而喻的。当你要实例化一个队列时,如果你想去选择链式结构或者循环数组或其他不同的实现方法,只需为集合接口引用不同的实现类即可。

Queue<String> qe1 = new LinkedList<>();
//LinkedList是链表实现队列Queue<String> qe2 = new ArrayDeque<>();
//ArrayDeque是循环数组实现队列

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同样是Queue的实现类,但采用了不同的方式。

2.Collection接口

在集合类库中,最基本的接口是Collection接口。

Collection接口可以理解成集合类库中的树根,所有的其他类都是从之演变出来的。因为Colleaction是一个泛型接口,所以在这个泛型接口中java类库的设计者添加了许多的方法,所有的实现类都必须去实现这些方法。

int size()
//返回此 collection 中的元素数。
//如果此 collection 包含的元素大于 Integer.MAX_VALUE,则返回 Integer.MAX_VALUE。boolean isEmpty()
//如果此 collection 不包含元素,则返回 true。 boolean contains(Object o)
//当且仅当此 collection 至少包含一个满足 (o==null ? e==null : o.equals(e)) 的元素 e 时,返回 true。 Iterator<E> iterator()
//返回在此 collection 的元素上进行迭代的迭代器。//关于元素返回的顺序没有任何保证,除非此 collection 是某个能提供保证顺序的类实例。 Object[] toArray()
//返回包含此 collection 中所有元素的数组。//如果 collection 对其迭代器返回的元素顺序做出了某些保证,那么此方法必须以相同的顺序返回这些元素。 
//返回的数组将是“安全的”,因为此 collection 并不维护对返回数组的任何引用。//调用者可以随意修改返回的数组。 
//此方法充当了基于数组的 API 与基于 collection 的 API 之间的桥梁。 boolean add(E e)
//确保此 collection 包含指定的元素。如果此 collection 由于调用而发生更改,则返回 true。
//如果此 collection 不允许有重复元素,并且已经包含了指定的元素,则返回 false。boolean remove(Object o)
//如果此 collection 包含一个或多个满足 (o==null ? e==null : o.equals(e)) 的元素 e,则移除这样的元素。
//如果此 collection 包含指定的元素(或者此 collection 由于调用而发生更改),则返回 true 。 boolean containsAll(Collection<?> c)
//如果此 collection 包含指定 collection 中的所有元素,则返回 true。 boolean addAll(Collection<? extends E> c)
//将指定 collection 中的所有元素都添加到此 collection 中。
//如果在进行此操作的同时修改指定的 collection,那么此操作行为是不确定的。boolean removeAll(Collection<?> c)
//移除此 collection 中那些也包含在指定 collection 中的所有元素。
//此调用返回后,collection 中将不包含任何与指定 collection 相同的元素。 void clear()
//移除此 collection 中的所有元素。boolean retainAll(Collection<?> c)
//仅保留此 collection 中那些也包含在指定 collection 的元素。
//移除此 collection 中未包含在指定 collection 中的所有元素。

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以上这些方法将会在所有的集合数据结构中出现,记住他们的作用,无论是哪个数据结构,只要调用他们准没有错。除此之外真的要赞叹java API编写者的水平,方法功能的介绍用最少的语言来说的滴水不漏,这种超强的概括性,水平之高可见一斑。尤其像remove中判断的方式,书写简洁美观,包含存在null的情况,真的是非常值得学习。(特殊的,表不是从Collection接口实现的,而是Map接口)

(二)Iterator

在创建Collection接口的同时,集合类库也创建了Iterator接口,这个接口的对象是一个迭代器,他会依次遍历集合中所有的元素。在开始的时候,如果集合是有序的,那么通过Collection接口的iterator方法返回的迭代器对象会在集合起始位置

Iterator<Integer> it = new Iterator<>();
Iterator<Integer> it = queue.iterator();
//通过队列中实现的iterator方法返回迭代器

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Iterator对象工作的原理是把每个集合中的对象看作一个块,it在这些块之间跳跃。在开始的时候it在第一个块前(如果是有序集),调用一次next()方法it就会跳到下个块之后,并且跳完之后返回在it前面的块。如果在开始直接it.remove()会报错,因为remove的原理是删除在it之前的这个块,所以需要先进行next()操作。同理,连续remove两次也是会报错的。

Queue<Integer> qe1 = new LinkedList<>();

qe1.add(null);  
qe1.add(1);
qe1.add(20);
System.out.println(qe1);Iterator<Integer> it = qe1.iterator();
//-------------error-------------it.reomve();  
//不能直接调用remove(),这时it没有跳过块,it之前没有内容
//-------------------------------
//-------------error-------------it.next();
it.remove();
it.reomve();  
//不能连续调用remove(),it之前的块已被删除,再调用报错
//-------------------------------
//--------------ok---------------it.next();
it.remove();
it.next();
it.remove();
//-------------------------------System.out.println(qe1);
//输出://[20]

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上面的例子中值得注意的一点是qe1.add(null);是完全成立的。基本上所有的集合可以显式的把null作为一个对象传入(除了特殊的集合,比如PriorityQueue…等)。这样我们也就可以理解API中的:

if(o==null ? e==null : o.equals(e)) //如果集合中有和o相同的e

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(三) 链表 LinkedList

在数组以及动态的ArrayList数组存在删除节点代价大的问题后,链表的出现解决了这个问题。在java中所有的链表其实都是双向的,包含一个前驱结点的引用,存放的对象,指向后一个结点的引用。

List<String> letter = new LinkedList<>(); //链表

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1.ListIterator迭代器

当时用链表的时候也就意味着我们需要进行大量的增添和删除功能。对于链表这种有序集合,Iterator迭代器无疑是描述位置最好的类,但是在Iterator中并没有add方法(因为有很多无序集不需要在特定的位置增添元素)所以我们从Iterator中实现了一个子类来进行增删操作——ListIterator。

package Collection;import java.util.LinkedList;import java.util.List;import java.util.ListIterator;/**
 * 
 * @author QuinnNorris
 * 链表LinkedList的操作,以及ListIterator
 */public class LinkedListE {

    /**
     * @param args
     */
    public static void main(String[] args) {        // TODO Auto-generated method stub

        List<String> letter = new LinkedList<>();

        letter.add(0, "a"); //在索引为0的位置添加元素
        letter.add("b");
        letter.add("c");
        letter.add("d");

        ListIterator li = letter.listIterator(2);//在第3个元素“c”(索引为2)之前放置迭代器
        li.previous();//迭代器向前遍历
        li.remove();//删除刚刚跳过的元素“b”

        li.next();//迭代器向后遍历
        li.remove();//删除刚刚跳过的元素“c”

        li.next();//迭代器向后遍历
        li.set("e");//将刚刚跳过的元素“d”重新设置为“e”

        System.out.println(li.nextIndex());//输出: 2
        System.out.println(li.previousIndex());//输出:1

        System.out.println(letter);//输出:[a,e]

        letter.get(0);//可以使用,但是不要这样做
    }

}

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ListIterator提供了向前遍历元素的方法previous(),并且提供了让人耳目一新的方法set()。set这个方法可以重新设置刚刚跳过的那个节点内容,这个方法有些特殊之处,我们以后还会多次用到。

2.链表中的get,set方法

需要注意的是,如果你在一个链表中经常去调用get()方法,那么有可能你已经在一条错误的道路上了。get方法的实现效率非常差,如果不是一条增删需求多于查询需求的表,那么是时候该考虑考虑使用其他的表了。

(四) 动态数组列表 ArrayList

在上面链表中不适用的set和get方法在ArrayList中是非常有用的。这个类也实现了List接口。这个列表可能是我们用的相当多的一个列表,在不需要同步的情况下,ArrayList是我们最可靠的小帮手。

(五) 散列集 HashSet

如果我们只是要将一些元素存放到集合之中,而无须关心他们的次序,那么我们可以采用散列集来存放这些元素,它可以快速的查找到元素,缺点在于无法控制顺序。

1.散列表原理

HashTable是非常出名的数据结构,它的存放对象的原理大概是这样的:

2.散列表中一些预防措施

为了在不浪费空间的情况下尽可能的优化散列表的性能,我们的初始的桶数就要进行估算,但是事实上我们没法估算…。在java标准类库中采用了默认值为16的桶数
除此之外,如果我们在使用的过程中,散列表过于满我们就需要对散列表进行再散列。再散列的方法很简单,把2的幂数加一,就是以32为桶数重新创建一个散列表,将原来各个桶中元素全部重新计算。那么我们在什么时候需要再散列呢?在散列表中存在一个装填因子,默认它的值为0.75。也就是说,如果原来的散列表被装满了75%以上时,这个散列表将会被再散列。

3.HashSet

package Collection;import java.util.HashSet;import java.util.Set;/**
 * 
 * @author QuinnNorris
 * 散列集HashSet,要理解存放方法,实际应用中无特别之处
 */public class HashSetE {

    /**
     * @param args
     */
    public static void main(String[] args) {        // TODO Auto-generated method stub

        Set<String> hs = new HashSet<>();
        hs.add("master");

        Set<String> sub_hs = new HashSet<>();
        sub_hs.add("sub");

        hs.addAll(sub_hs);//将另一个集合添加进来

        System.out.println(hs);//输出 [sub, master]
    }

}

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散列集HashSet,要理解存放方法,实际应用中无特别之处。如果不需要索引,可用这种集合存放元素。

(六) 树集 TreeSet

TreeSet和HashSet很像,但是TreeSet却是一种有序集合。
正如其名,树集是一种树,它将插入这个集合的每个元素都按照一定的规律来排序比较,最后在循环输出的时候,树集输出的内容是有一定顺序的。也正是因为这个原因,插入树集的元素是必须能比较的,详细的说,所有插入树集的元素都要实现Comparable接口,否则会报错,这也是能比较的一个前提。

1.Comparable接口

我们已经知道,这个接口是插入树集前必须要实现的。Comparable接口定义了一个方法:

public interface Comparable<T>
{    int compareTo(T other);
}

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compareTo方法返回的是一个int类型的数字,如果这个数字大于0,则说明排序时对象在参数之前,反之在参数之后。在集合中不会出现等于0的情况,毕竟集合是具有单一性,不能一个元素重复存在。

2.自定义Comparator接口

毕竟我们写的类不会自己附带一个Comparable接口的实现,那么很多时候,我们需要披挂上阵自己来定义比较的方法。我们可以创建一个Comparator实现类,在类中实现compare方法。请注意,我们手动实现的接口是Comparator而不是Comparable。更好的做法是我们将这个自定的类作为一个参数传入TreeSet的初始化语句中。

ItemComparator comp = new ItemComparator();
//ItemComparator是自己写的Comparable的实现类Set<String> ts = new TreeSet<String>(comp);
//将实例comp作为参数传入,TreeSet获得比较方法

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3.匿名内部类

上面的自定义方法固然好,但是那并不是最简洁的写法,在这种情况下,匿名内部类真的起到了非常好的效果。只要你知道这里的参数是一个实现了compare方法的类对象,你就不会因为内部类的写法而感到很难读懂。

Set<Tree> ts = new TreeSet<Tree>(new 
    Comparator<Tree>(){        
    public int compare(Tree a,Tree b){            
    return a.index-b.index;
        }
    });

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Tree是我们自己定义的一个类,自然没有Comparable接口的实现。所以我们在这里实现一下Comparator,采用的是匿名内部类的方法。事实上,Comparator接口还有equals方法,但是一般的情况下我们并不用去管它。

4.TreeSet实现的其他接口

TreeSet本身没有什么更多的便捷方法,但是它实现了很多接口,我们既然要看就看得透彻一些,来把这些接口也学习一下。

SortedSet<String> ts = new TreeSet<>();
//SortedSet接口Comparator<? super E> comparator()
// 返回对此 set 中的元素进行排序的比较器。如果此 set 使用其元素的自然顺序,则返回 null。E first()
//返回此 set 中当前第一个(最低)元素。 E last()
//返回此 set 中当前最后一个(最高)元素。 
NavigableSet<String> ts = new TreeSet<>();
//NavigableSet接口ceiling(E e) 
//返回此 set 中大于等于给定元素的最小元素;如果不存在这样的元素,则返回 null。 Iterator<E> descendingIterator() 
//以降序返回在此 set 的元素上进行迭代的迭代器。 

 E floor(E e) 
//返回此 set 中小于等于给定元素的最大元素;如果不存在这样的元素,则返回 null。 

 E higher(E e) 
//返回此 set 中严格大于给定元素的最小元素;如果不存在这样的元素,则返回 null。 

 Iterator<E> iterator() 
//以升序返回在此 set 的元素上进行迭代的迭代器。 

 E lower(E e) 
//返回此 set 中严格小于给定元素的最大元素;如果不存在这样的元素,则返回 null。 

 E pollFirst() 
//获取并移除第一个(最低)元素;如果此 set 为空,则返回 null。 

 E pollLast() 
//获取并移除最后一个(最高)元素;如果此 set 为空,则返回 null。

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实际上,NavigableSet实现了SortedSet,如果想要使用上面的方法用NaviagableSet引用即可。

(七) 双端队列 ArrayDeque

顾名思义,有两个端头的队列就叫做双端队列,而deque的含义也正是“double ended queue”。双端队列可以在两端进行增删元素操作,但是不能在队列中间添加元素。

在java类库中,Deque<T>实现了Queue接口,而ArrayDeque实现了Deque接口。

package Collection;import java.util.ArrayDeque;import java.util.Deque;/**
 * 
 * @author QuinnNorris
 * 双端队列ArrayDeque的基本操作
 */public class ArrayDequeE {

    /**
     * @param args
     */
    public static void main(String[] args) {        // TODO Auto-generated method stub

        Deque<String> ad = new ArrayDeque<>();//默认构造一个大小为16的双端队列

        ad.add("a");//将一个对象插入双端队列的末尾
        ad.addFirst("b");//将一个对象插入双端队列的头部
        ad.addLast("c");//将一个对象插入双端队列的末尾

        String first = ad.pollFirst();//获取并移除双端队列的第一个元素,pollLast()功能相反

        String second = ad.getLast();//获取双端队列的最后一个元素,getFrist()功能相反

    }
}

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这个类的功能也很明确就是在头部尾部能够做文章,偶尔或许会用到吧。值得一提的是,因为这个实现类继承了很多队列的接口,所以ArrayDeque里面有很多功能相同的方法,我们看着用就可以,作用是差不多的。

(八) 优先级队列 PriorityQueue

在操作系统中,CPU要处理很多进程任务,有个管理这些进程的算法就叫做优先级队列算法。java中的优先级队列和这个很像。在优先级队列中,元素只要add进去就不用管了,因为这个队列就是一个堆(heap),实质上是一个AVL二叉树。在这个二叉树中他总是按照compareTo方法将元素排序,优先级低的放在前面。

package Collection;import java.util.PriorityQueue;import java.util.Queue;/**
 * 
 * @author QuinnNorris
 * 优先级队列PriorityQueue基本用法
 */public class PriorityQueueE {

    /**
     * @param args
     */
    public static void main(String[] args) {        // TODO Auto-generated method stub

        Queue<String> pq = new PriorityQueue<>();
        pq.add("a");
        pq.offer("b");//向优先级队列中添加一个对象,和add方法相同。
        pq.offer("c");

        String head = pq.peek();//获取此列表的头
        System.out.println(head);//输出: a

        System.out.println(pq);//输出:[a, b, c]

        pq.remove();//移除队列中优先级最小的元素,也就是第一个元素,也可用参数表示删除什么元素

        System.out.println(pq);//输出: [b, c]
    }

}

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PriorityQueue的方法也是出奇的简单,只有几种特殊的方法,毕竟二叉树自己内部就进行了自动调整,不需要我们做太多。与TreeSet一样,我们也可以通过自己创建实现了Comaprator接口的类对象来控制排序的原则。在PriorityQueue中值得注意的是,如果remove方法没有参数,那么默认会删除根节点的元素(第一个元素)。

(九) 散列表 HashMap

1.映射表

有的时候,我们要查找一个元素,但是并不想根据它的索引数字来查找。更有意义的,我们想用除了数字之外的类似String,Double,或者其他对象来查找这个值,那么这就涉及到一对数据。在java和很多语言中都实现了这种数据结构,通过一对键值对(key-value对)来存放数据,这就是映射表。

2.散列表特性

散列表和散列集的特性是基本差不多的,都是通过桶来储存。和散列集区别的是,它是根据键的hashcode来进行分配,散列集就比较简单。值得一提的是,键和值都可以为null,HashMap不是同步的,在多线程并发的情况下需要更多的保护操作。

package Collection;import java.util.HashMap;import java.util.Map;/**
 * 
 * @author QuinnNorris
 * HashMap的基本操作
 */public class HashMapE {

    /**
     * @param args
     */
    public static void main(String[] args) {        // TODO Auto-generated method stub

        Map<String,String> hm = new HashMap<>();
        Map<String,String> hmc = new HashMap<>(20,0.8F);
        //可以有两个参数,第一个表示桶的个数,第二个表示装填因子

        hm.put("key", "value");//存放键值对

        hm.get("key");//获取参数键的对应值,如果没有这个键则返回null

        hm.containsKey("key");//返回布尔值true;表示包含这个键

        hm.containsValue("value");//返回布尔值true,表示包含这个键

        hm.remove("key");//根据键来移除键值对

    }

}

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在HashMap中,可以根据key来获取value的值,但是如果要反向根据value来获取key的值时则需要用到其他的手法,这个实现方法我们等到以后再讨论。

(十) 树表 TreeMap

树表是java集合类库提供的第二种表,这种表的特点全写在名字上了,树+表。具体有以下这些特性:

(十一) 总结

一万多字的内容概括的介绍了所有在集合类库常用的几种类。这些类实现的原理不同,功能不同,大概可以分成List、Map、Set三大种,除了Map是Map接口实现的,其他的都是Collection接口实现的,在下面我们可以继续看一些集合框架,看java是怎么把这些类组合在一起的。

当我们要处理一串数据的时候,相比较c++和c中的数组和指针,在Java中我们更为常用的是ArrayList、HashMap等集合数据结构。c语言对指针的支持成就了他的深度,而Java中多种多样的包装类成就了他的广度。在java中,我们一般将List、Map、Set等数据结构通归为集合数据结构,这些类都存在于集合类库中。

以上就是java集合(一)—数据结构详解 的内容,更多相关内容请关注PHP中文网(www.php.cn)!

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风君子

独自遨游何稽首 揭天掀地慰生平

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