第 15 章 对象容器——集合

第 15 章 对象容器——集合

当你有很多书时,你会考虑买一个书柜,将你的书分门别类摆放进入。使用了书柜不仅仅使房间变得整洁,也便于以后使用书时方便查找。在计算机中管理对象亦是如此,当获得多个对象后,也需要一个容器将它们管理起来,这个容器就是集合。

集合本质是基于某种数据结构数据容器。常见的数据结构:数组(Array)、集(Set)、队列(Queue)、链表(Linkedlist)、树(Tree)、堆(Heap)、栈(Stack)和映射(Map)等结构。

本章介绍Java中的集合。

15.1 集合概述

Java中提供了丰富的集合接口和类,它们来自于java.util包。如图15-1所示是Java主要的集合接口和类,从图中可见Java集合类型分为:Collection和Map,Collection子接口有:Set、Queue和List等接口。每一种集合接口描述了一种数据结构。

本章重点介绍List、Set和Map接口,因此图15-1中只列出了这三个接口的具体实现类,事实上Queue也有具体实现类,由于很少使用,这里不再赘述,读者感兴趣可以自己查询API文档。

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图15-1 Java主要集合接口和类

提示 在Java SE中List名称的类型有两个,一个是java.util.List,另外一个是java.awt.List。java.util.List是一个接口,这本章介绍的List集合。而java.awt.List是一个类,用于图形用户界面开发,它是一个图形界面中的组件。

 

提示 学习Java中的集合,首先从两大接口入手,重点掌握List、Set和Map三个接口,熟悉这些接口中提供的方法。然后再熟悉这些接口的实现类,并了解不同实现类之间的区别。

15.2 List集合

List集合中的元素是有序的,可以重复出现。图15-2是一个班级集合数组,这个集合中有一些学生,这些学生是有序的,顺序是他们被放到集合中的顺序,可以通过序号访问他们。这就像老师给进入班级的人分配学号,第一个报到的是“张三”,老师给他分配的是0,第二个报到的是“李四”,老师给他分配的是1,以此类推,最后一个序号应该是“学生人数-1”。

图15-2 数组集合

提示 List集合关心的元素是否有序,而不关心是否重复,请大家记住这个原则。例如,图15-2所示的班级集合中就有两个“张三”。

List接口的实现类有:ArrayList 和 LinkedList。ArrayList是基于动态数组数据结构的实现,LinkedList是基于链表数据结构的实现。ArrayList访问元素速度优于LinkedList,LinkedList占用的内存空间比较大,但LinkedList在批量插入或删除数据时优于ArrayList。

不同的结构对应于不同的算法,有的考虑节省占用空间,有的考虑提高运行效率,对于程序员而言,它们就像是“熊掌”和“鱼肉”,不可兼得!提高运行速度往往是以牺牲空间为代价的,而节省占用空间往往是以牺牲运行速度为代价的。

15.2.1 常用方法

List接口继承自Collection接口,List接口中的很多方法都继承自Collection接口的。List接口中常用方法如下。

  1. 操作元素

    • get(int index):返回List集合中指定位置的元素。

    • set(int index, Object element):用指定元素替换List集合中指定位置的元素。

    • add(Object element):在List集合的尾部添加指定的元素。该方法是从Collection集合继承过来的。

    • add(int index, Object element):在List集合的指定位置插入指定元素。

    • remove(int index):移除List集合中指定位置的元素。

    • remove(Object element):如果List集合中存在指定元素,则从List集合中移除第一次出现的指定元素。该方法是从Collection集合继承过来的。

    • clear():从List集合中移除所有元素。该方法是从Collection集合继承过来的。

  2. 判断元素

    • isEmpty():判断List集合中是否有元素,没有返回true,有返回false。该方法是从Collection集合继承过来的。

    • contains(Object element):判断List集合中是否包含指定元素,包含返回true,不包含返回false。该方法是从Collection集合继承过来的。

  3. 查询元素

    • indexOf(Object o):从前往后查找List集合元素,返回第一次出现指定元素的索引,如果此列表不包含该元素,则返回-1。

    • lastIndexOf(Object o):从后往前查找List集合元素,返回第一次出现指定元素的索引,如果此列表不包含该元素,则返回-1。

  4. 其他

    • iterator():返回迭代器(Iterator)对象,迭代器对象用于遍历集合。该方法是从Collection集合继承过来的。

    • size():返回List集合中的元素数,返回值是int类型。该方法是从Collection集合继承过来的。

    • subList(int fromIndex, int toIndex):返回List集合中指定的 fromIndex(包括 )和 toIndex(不包括)之间的元素集合,返回值为List集合。

示例代码如下:

//HelloWorld.java文件
package com.a51work6;

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

public class HelloWorld {

    public static void main(String[] args) {

        List list = new ArrayList();                    ①

        String b = "B";

        //向集合中添加元素
        list.add("A");
        list.add(b);                                     ②
        list.add("C");
        list.add(b);                                    ③
        list.add("D");
        list.add("E");

        //打印集合元素个数
        System.out.println("集合size = " + list.size());
        //打印集合
        System.out.println(list);

        //从前往后查找集合中的"B"元素
        System.out.println("indexOf(\"B\") = " + list.indexOf(b));
        //从后往前查找集合中的"B"元素
        System.out.println("lastIndexOf(\"B\") = " + list.lastIndexOf(b));

        //删除集合中第一个"B"元素
        list.remove(b);
        System.out.println("remove(3)前: " + list);
        //判断集合中是否包含"B"元素
        System.out.println("是否包含\"B\":" + list.contains(b));

        //删除集合第4个元素
        list.remove(3);
        System.out.println("remove(3)后: " + list);
        //判断集合是否为空
        System.out.println("list集合是空的:" + list.isEmpty());

        System.out.println("替换前:" + list);
        //替换集合第2个元素
        list.set(1, "F");
        System.out.println("替换后:" + list);

        //清空集合
        list.clear();                                    ④
        System.out.println(list);


        // 重新添加元素
        list.add(1);//发生自动装箱                    ⑤
        list.add(3);

        int item = (Integer)list.get(0);//发生自动拆箱        ⑥
    }
}

运行结果如下:

集合size = 6
[A, B, C, B, D, E]
indexOf("B") = 1
lastIndexOf("B") = 3
remove(3)前: [A, C, B, D, E]
是否包含"B":true
remove(3)后: [A, C, B, E]
list集合是空的:false
替换前:[A, C, B, E]
替换后:[A, F, B, E]
[]

代码第①行声明List类型集合变量list,使用ArrayList类实例化list,List是接口不能实例化。添加集合元素过程中可以添加重复的元素,见代码第②行和第③行。代码第④行list.clear()是清空集合,但需要注意的是变量list所引用的对象还是存在的,不是null,只是集合中没有了元素。

提示 在Java中任何集合中存放的都是对象,即引用数据类型,基本数据类型不能放到集合中。但上述代码第⑤行却将整数1放到集合中,这是因为这个过程中发生了自动装箱,整数1被封装成Integer对象1,然后再放入到集合中。相反从集合中取出的也是对象,代码第⑥行从集合中取出的是Integer对象,之所以能够赋值给int类型,是因为这个过程发生了自动拆箱。

15.2.2 遍历集合

集合最常用的操作之一是遍历,遍历就是将集合中的每一个元素取出来,进行操作或计算。List集合遍历有三种方法:

  1. 使用for循环遍历:List集合可以使用for循环进行遍历,for循环中有循环变量,通过循环变量可以访问List集合中的元素。

  2. 使用for-each循环遍历:for-each循环是针对遍历各种类型集合而推出的,笔者推荐使用这种遍历方法。

  3. 使用迭代器遍历:Java提供了多种迭代器,List集合可以使用Iterator和ListIterator迭代器。

示例代码如下:

//HelloWorld.java文件
package com.a51work6;

import java.util.ArrayList;
import java.util.Iterator;
import java.util.List;

public class HelloWorld {

    public static void main(String[] args) {

        List list = new ArrayList();

        String b = "B";
        // 向集合中添加元素
        list.add("A");
        list.add(b);
        list.add("C");
        list.add(b);
        list.add("D");
        list.add("E");

        // 1.使用for循环遍历
        System.out.println("--1.使用for循环遍历--");
        for (int i = 0; i < list.size(); i++) {
            System.out.printf("读取集合元素(%d): %s \n", i, list.get(i));        ①
        }

        // 2.使用for-each循环遍历
        System.out.println("--2.使用for-each循环遍历--");
        for (Object item : list) {                               ②
            String s = (String) item;                            ③
            System.out.println("读取集合元素: " + s);
        }

        // 3.使用迭代器遍历
        System.out.println("--3.使用迭代器遍历--");
        Iterator it = list.iterator();                           ④
        while (it.hasNext()) {                                   ⑤
            Object item = it.next();                             ⑥
            String s = (String) item;                            ⑦
            System.out.println("读取集合元素: " + s);
        }
    }
}

上述代码采用三种方法遍历List集合,采用for循环遍历需要通过List集合的get方法获得元素,代码第①行的list.get(i)。代码第②行采用for-each循环遍历list集合,从集合中取出的元素都是Object类型,代码第③行是强制转换为String类型。使用迭代器遍历,首先需要获得迭代器对象,代码第④行list.iterator()方法可以返回迭代器对象。代码第⑤行调用迭代器hasNext()方法可以判断集合中是否还有元素可以迭代,有返回true,没有返回false。代码第⑥行调用迭代器的next()返回迭代的下一个元素,该方法返回的Object类型需要强制转换为String类型,见代码第⑦行。

15.3 Set集合

Set集合是由一串无序的,不能重复的相同类型元素构成的集合。图15-3是一个班级的Set集合。这个Set集合中有一些学生,这些学生是无序的,不能通过类似于List集合的序号访问,而且不能有重复的同学。

图15-3 Set集合

提示 List集合中的元素是有序的、可重复的,而Set集合中的元素是无序的、不能重复的。List集合强调的是有序,Set集合强调的是不重复。当不考虑顺序,且没有重复元素时,Set集合和List集合可以互相替换的。

Set接口直接实现类主要是HashSet,HashSet是基散列表数据结构的实现。

15.3.1 常用方法

Set接口也继承自Collection接口,Set接口中大部分都是继承自Collection接口,这些方法如下。

  1. 操作元素

    • add(Object element):在Set集合的尾部添加指定的元素。该方法是从Collection集合继承过来的。

    • remove(Object element):如果Set集合中存在指定元素,该方法是从Collection集合继承过来的。

    • clear():从Set集合中移除所有元素。该方法是从Collection集合继承过来的。

  2. 判断元素

    • isEmpty():判断Set集合中是否有元素,没有返回true,有返回false。该方法是从Collection集合继承过来的。

    • contains(Object element):判断Set集合中是否包含指定元素,包含返回true,不包含返回false。该方法是从Collection集合继承过来的。

  3. 其他

    • iterator():返回迭代器(Iterator)对象,迭代器对象用于遍历集合。该方法是从Collection集合继承过来的。

    • size():返回Set集合中的元素数,返回值是int类型。该方法是从Collection集合继承过来的。

示例代码如下:

//HelloWorld.java文件
package com.a51work6;

import java.util.HashSet;
import java.util.Set;

public class HelloWorld {

    public static void main(String[] args) {

        Set set = new HashSet();                             ①

        String b = "B";

        // 向集合中添加元素
        set.add("A");
        set.add(b);                                          ②
        set.add("C");
        set.add(b);                                          ③
        set.add("D");
        set.add("E");

        // 打印集合元素个数
        System.out.println("集合size = " + set.size());      ④
        // 打印集合
        System.out.println(set);

        // 删除集合中第一个"B"元素
        set.remove(b);
        // 判断集合中是否包含"B"元素
        System.out.println("是否包含\"B\":" + set.contains(b));
        // 判断集合是否为空
        System.out.println("set集合是空的:" + set.isEmpty());

        // 清空集合
        set.clear();
        System.out.println(set);
    }
}

运行结果:

集合size = 5
[A, B, C, D, E]
是否包含"B":false
set集合是空的:false
[]

代码第①行声明Set类型集合变量set,使用HashSet类实例化set,Set是接口不能实例化。添加集合元素时试图添加重复的元素,见代码第②行和第③行,但是Set集合不能添加重复元素,所有代码第④行打印集合元素个数是5。

15.3.2 遍历集合

Set集合中的元素由于没有序号,所以不能使用for循环进行遍历,但可以使用for-each循环和迭代器进行遍历。事实上这两种遍历方法也是继承自Collection集合,也就是说所有的Collection集合类型都有这两种遍历方式。

示例代码如下:

//HelloWorld.java文件
package com.a51work6;

import java.util.HashSet;
import java.util.Iterator;
import java.util.Set;

public class HelloWorld {

    public static void main(String[] args) {

        Set set = new HashSet();

        String b = "B";
        // 向集合中添加元素
        set.add("A");
        set.add(b);
        set.add("C");
        set.add(b);
        set.add("D");
        set.add("E");

        // 1.使用for-each循环遍历
        System.out.println("--1.使用for-each循环遍历--");
        for (Object item : set) {
            String s = (String) item;
            System.out.println("读取集合元素: " + s);
        }

        // 2.使用迭代器遍历
        System.out.println("--2.使用迭代器遍历--");
        Iterator it = set.iterator();
        while (it.hasNext()) {
            Object item = it.next();
            String s = (String) item;
            System.out.println("读取集合元素: " + s);
        }
    }
}

上述代码采用两种方法遍历Set集合,具体实现与List集合完全一样,这里不再赘述。

15.4 Map集合

Map(映射)集合表示一种非常复杂的集合,允许按照某个键来访问元素。Map集合是由两个集合构成的,一个是键(key)集合,一个是值(value)集合。键集合是Set类型,因此不能有重复的元素。而值集合是Collection类型,可以有重复的元素。Map集合中的键和值是成对出现的。

图15-4所示是Map类型的“国家代号”集合。键是国家代号集合,不能重复。值是国家集合,可以重复。

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图15-4 Map集合

提示 Map集合更适合通过键快速访问值,就像查英文字典一样,键就是要查的英文单词,而值是英文单词的翻译和解释等。有的时候,一个英文单词会对应多个翻译和解释,这是与Map集合特性对应的。

Map接口直接实现类主要是HashMap,HashMap是基散列表数据结构的实现。

15.4.1 常用方法

Map集合中包含两个集合(键和值),所以操作起来比较麻烦,Map接口提供很多方法用来管理和操作集合。主要的方法如下。

  1. 操作元素

    • get(Object key):返回指定键所对应的值;如果Map集合中不包含该键值对,则返回null。

    • put(Object key, Object value):指定键值对添加到集合中。

    • remove(Object key):移除键值对。

    • clear():移除Map集合中所有键值对。

  2. 判断元素

    • isEmpty():判断Map集合中是否有键值对,没有返回true,有返回false。

    • containsKey(Object key):判断键集合中是否包含指定元素,包含返回true,不包含返回false。

    • containsValue(Object value):判断值集合中是否包含指定元素,包含返回true,不包含返回false。

  3. 查看集合

    • keySet():返回Map中的所有键集合,返回值是Set类型。

    • values():返回Map中的所有值集合,返回值是Collection类型。

    • size():返回Map集合中键值对数。

示例代码如下:

//HelloWorld.java文件
package com.a51work6;

import java.util.HashMap;
import java.util.Map;

public class HelloWorld {

    public static void main(String[] args) {

        Map map = new HashMap();                ①

        map.put(102, "张三");
        map.put(105, "李四");                    ②
        map.put(109, "王五");
        map.put(110, "董六");
        //"李四"值重复
        map.put(111, "李四");                    ③
        //109键已经存在,替换原来值"王五"
        map.put(109, "刘备");                    ④


        // 打印集合元素个数
        System.out.println("集合size = " + map.size());
        // 打印集合
        System.out.println(map);

        // 通过键取值
        System.out.println("109 - " + map.get(109));    ⑤
        System.out.println("108 - " + map.get(108));    ⑥

        // 删除键值对
        map.remove(109);
        // 判断键集合中是否包含109
       System.out.println("键集合中是否包含109:" + map.containsKey(109));
        // 判断值集合中是否包含 "李四"
        System.out.println("值集合中是否包含:" + map.containsValue("李四"));

        // 判断集合是否为空
        System.out.println("集合是空的:" + map.isEmpty());

        // 清空集合
        map.clear();
        System.out.println(map);
    }
}

运行结果如下:

集合size = 5
{102=张三, 105=李四, 109=王五, 110=董六, 111=刘备}
109 - 王五
108 - null
是否包含"B":false
值集合中是否包含:true
集合是空的:false
{}

代码第①行声明Map类型集合变量map,使用HashMap类实例化map,Map是接口不能实例化。Map集合添加键值对时候需要注意两个问题:第一,如果键已经存在,则会替换原有值,见代码第④行是109键原来对应的是"王五",该语句会替换为"刘备";第二,如果这个值已经存在,则不会替换,见代码第②行和第③行,添加了两个相同的值"李四"。

代码第⑤行和第⑥行是通过键取对应的值,如果不存在键值对,则返回null,代码第⑥行的108键对应的值不存在,所以这里打印的是null。

15.4.2 遍历集合

Map集合遍历与List和Set集合不同,Map有两个集合,因此遍历时可以只遍历值的集合,也可以只遍历键的集合,也可以同时遍历。这些遍历过程都可以使用for-each循环和迭代器进行遍历。

示例代码如下:

//HelloWorld.java文件
package com.a51work6;

import java.util.Collection;
import java.util.HashMap;
import java.util.Iterator;
import java.util.Map;
import java.util.Set;

public class HelloWorld {

    public static void main(String[] args) {

        Map map = new HashMap();

        map.put(102, "张三");
        map.put(105, "李四");
        map.put(109, "王五");
        map.put(110, "董六");
        map.put(111, "李四");

        // 1.使用for-each循环遍历
        System.out.println("--1.使用for-each循环遍历--");
        // 获得键集合
        Set keys = map.keySet();                                      ①
        for (Object key : keys) {
            int ikey = (Integer) key; // 自动拆箱                     ②
            String value = (String) map.get(ikey); // 自动装箱        ③
            System.out.printf("key=%d - value=%s \n", ikey, value);
        }

        // 2.使用迭代器遍历
        System.out.println("--2.使用迭代器遍历--");
        // 获得值集合
        Collection values = map.values();                             ④
        // 遍历值集合
        Iterator it = values.iterator();
        while (it.hasNext()) {
            Object item = it.next();
            String s = (String) item;
            System.out.println("值集合元素: " + s);
        }

    }
}

上述代码第①行是获得键集合,返回值Set类型。在遍历键时,从集合里取出的元素类型都是Object,代码第②行是将key强制类型转换为Integer,然后又赋值给int整数,这个过程发生了自动拆箱。代码第③行是通过键获得对应的值。

代码第④行是获得值集合,它是Collection类型。遍历Collection集合与遍历Set集合一样,这里不再赘述。

本章小结

本章介绍了Java中的集合,其中包括常用接口Collection、Set、List和Map,重点掌握Set、List和Map三个接口,熟悉具体实现类。熟练几种集合的遍历操作。