Java 集合框架(常用数据结构)

早在Java 2中之前,Java就提供了特设类。比如:向量(Vector)、栈(Stack)、字典(Dictionary)、哈希表(Hashtable)这些类(数据结构)用来存储和操作对象组。虽然这些类都非常有用,但是它们缺少一个核心的,统一的主题。集合框架是为表示和操作集合而规定的一种统一的标准的体系结构。除了集合,该框架(framework)也定义了几个Map接口和类。Map里存储的是键/值对。尽管Map不是collections,但是它们完全整合在集合中。

所有的集合框架都包含如下内容:

  • 接口:是代表集合的抽象数据类型。接口允许集合独立操纵其代表的细节。在面向对象的语言,接口通常形成一个层次。
  • 实现(类):是集合接口的具体实现。从本质上讲,它们是可重复使用的数据结构。
  • 算法:是实现集合接口的对象里的方法执行的一些有用的计算,例如:搜索和排序。这些算法被称为多态,那是因为相同的方法可以在相似的接口上有着不同的实现。

集合框架的类和接口均在java.util包中。

下图是简化的集合框架关系图:
集合框架

集合接口

整个集合框架就围绕一组标准接口而设计。你可以直接使用这些接口的标准实现,诸如: LinkedList, HashSet, 和 TreeSet等,除此之外你也可以通过这些接口实现自己的集合。具体接口及其概述如下:

名称概述
Collection Collection 是最基本的集合接口,一个 Collection 代表一组 Object,Java不提供直接继承自Collection的类,只提供继承于的子接口(如List和set)。
List List接口是一个有序的Collection,使用此接口能够精确的控制每个元素插入的位置,能够通过索引(元素在List中位置,类似于数组的小标)来访问List中的元素,而且允许有相同的元素。
Set Set 具有与 Collection 完全一样的接口,只是行为上不同,Set 不保存重复的元素
SortedSet 继承于Set保存有序的集合。
Map 将唯一的键映射到值。
Map.Entry 描述在一个Map中的一个元素(键/值对)。是一个Map的内部类。
SortedMap 继承于Map,使Key保持在升序排列。
Enumeration 这是一个传统的接口和定义的方法,通过它可以枚举(一次获得一个)对象集合中的元素。这个传统接口已被迭代器取代。

更多参见:在线文档-jdk-zh

集合实现类

集合类型描述
ArrayList 一种可以动态增长和缩减的索引序列
LinkedList 一种可以在任何位置进行高效地插入和删除操作的有序序列
ArrayDeque 一种用循环数组实现的双端队列
HashSet 一种没有重复元素的无序集合
TreeSet 一种有序集
EnumSet 一种包含枚举类型值的集
LinkedHashSet 一种可以记住元素插入次序的集
PriorityQueue 一种允许高效删除最小元素的集合
HashMap 一种储存键/值关联的数据结构
TreeMap 一种键值有序排列的映射表
EnumMap 一种键值属于枚举类型的映射表
WeakHashMap 一种其值诶用武之地后可以被垃圾回收器回收的映射表
LinkedHashMap 一种可以记住键/值项添加次序的映射表
IdentityHashMap 一种用==,而不是用equals比较键值的映射表

另外还有一组名字以Abstract开头的类,例如,AbstractQueue,这些类是为类库实现者而设计的,用来实现自己的数据结构。

常用数据结构

  • 向量(Vector)

    Vector类实现了一个动态数组。和ArrayList和相似,但是Vector是同步访问的(同步操作会耗费大量时间,建议在不需要同步时使用ArrayList),而且Vector包含了许多传统的方法,这些方法不属于集合框架。Vector主要用在事先不知道数组的大小,或者只是需要一个可以改变大小的数组的情况。需要注意的是向量中的数据被转化为Object对象,取出元素使用时要强制转化为原来的类型。

    Vector类支持4种构造方法:

     

    常用方法:

    方法描述
    boolean add(E e) 将指定元素添加到此向量的末尾。
    void add(int index, E element) 在此向量的指定位置插入指定的元素。
    E remove(int index) 移除此向量中指定位置的元素。
    boolean remove(Object o) 移除此向量中指定元素的第一个匹配项,不包含则元素保持不变。
    E set(int index, E element) 用指定的元素替换此向量中指定位置处的元素。
    void setElementAt(E obj, int index) 将此向量指定 index 处的组件设置为指定的对象。
    E get(int index) 返回向量中指定位置的元素。
    int indexOf(Object o) 返回此向量中第一次出现的指定元素的索引,不包含则返回 -1。
    boolean isEmpty() 测试此向量是否不包含组件。
    void clear() 从此向量中移除所有元素。
    int capacity() 返回此向量的当前容量。
    boolean contains(Object o) 如果此向量包含指定的元素,则返回 true。
    void setSize(int newSize) 设置此向量的大小。
    void trimToSize() 对此向量的容量进行微调,使其等于向量的当前大小。

    Vector还定义了很多其他方法,具体可以看:Java Vector 类

  • 哈希表(Hashtable)

    Hashtable(确实是小写的t)是原始的java.util的一部分, 是一个Dictionary具体的实现 。然而,Java 2 重构的Hashtable实现了Map接口,因此,Hashtable现在集成到了集合框架中。它和HashMap类很相似,但是它支持同步(同样建议不需要同步时使用HashMap)。像HashMap一样,Hashtable在哈希表中存储键/值对。当使用一个哈希表,要指定用作键的对象,以及要链接到该键的值。然后,该键经过哈希处理,所得到的散列码被用作存储在该表中值的索引。

    Hashtable定义了四个构造方法:

     

    如果散列表的装载因子是0.75,那么当散列表的容量被使用了75%时,就会自动将容量增加到原始容量的2倍。通常,默认加载因子(0.75)在时间和空间成本上寻求一种折中,装载因子过高虽然减少了空间开销,但同时也增加了查找某个条目的时间。

    常用方法:

    方法描述
    V put(K key, V value) 将指定 key 映射到此哈希表中的指定 value。
    V remove(Object key) 从哈希表中移除该键及其相应的值。
    V get(Object key) 返回指定键所映射到的值,不包含则返回 null。
    void clear() 将此哈希表清空,使其不包含任何键。
    boolean containsValue(Object value) 如果此 Hashtable 将一个或多个键映射到此值,则返回 true。
    boolean isEmpty() 测试此哈希表是否没有键映射到值。
    int size() 返回此哈希表中的键的数量。
    void rehash() 增加此哈希表的容量并在内部对其进行重组,以便更有效地容纳和访问其元素。

    Hashtable中还定义了一些其他方法,具体可以看:Java HashTable 接口

  • 栈(Stack)

    栈是Vector的一个子类,它实现了一个标准的后进先出的栈。堆栈只定义了默认构造函数,用来创建一个空栈。 堆栈除了包括由Vector定义的所有方法,也定义了自己的一些方法,如下:

    方法描述
    boolean empty() 测试堆栈是否为空。
    Object peek( ) 查看堆栈顶部的对象,但不从堆栈中移除它。
    Object pop( ) 移除堆栈顶部的对象,并作为此函数的值返回该对。
    Object push(Object element) 把项压入堆栈顶部。
    int search(Object element) 返回对象在堆栈中的位置,以 1 为基数。

    但是Deque 接口及其实现提供了 LIFO 堆栈操作的更完整和更一致的 set,应该优先使用此 set,而非此类。

    注:Java 中 Queue 是接口, Deque 是其子接口,LinkedList 和 PriorityQueue 是其实现类,而 ArrayDeque 是 Deque 接口的实现类。具体方法可以查看:JDK 1.6 在线中文手册

  • 链表(LinkedList)

    LinkedList是一个双端链表,存放在结点中的数据都被看作是一个Object对象。由于任何类都是Object类的间接子类,因此,可以把任何一个对象作为链表结点中的数据。需要注意的是get()方法返回的类型是Object,要类型转换回原来的类型。
    构造方法:

     

    常用方法:

    方法描述
    boolean add(E e) 将指定元素添加到此列表的结尾
    void add(int index, E element) 在此列表中指定的位置插入指定的元素。
    E remove(int index) 移除此列表中指定位置处的元素。
    E remove() 获取并移除此列表的头(第一个元素)。
    boolean remove(Object o) 移除首次出现的指定元素,不包含则不作更改。
    E set(int index, E element) 将此列表中指定位置的元素替换为指定的元素。
    E get(int index) 返回此列表中指定位置处的元素。效率低,并非随机访问。
    int indexOf(Object o) 返回此列表中首次出现的指定元素的索引,不存在则返回-1.
    boolean contains(Object o) 至少包含一个指定元素,则返回 true。
    int size() 返回此列表的元素数。
    void clear() 从此列表中移除所有元素。
    Object clone() 返回此 LinkedList 的浅表副本。(这些元素本身没有复制。)
    Object[] toArray() 此方法返回一个新数组,调用者可以随意修改。

    LinkedList也实现了Deque接口,List接口和Queue接口,存在方法支持其用作堆栈、队列或双端队列,这里不做展开,具体方法可以查看:JDK 1.6 在线中文手册

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