Java集合框架

Java集合框架（Java collections framework）是包含一系列实现可重复使用集合的数据结构的类别和接口集合。

哈哈哈哈听起来有点杂，我们来捋一捋。

实际上就是Java提供了一个强大的集合框架，用于处理一系列对象。也就是说，集合是一种通用的容器，是对象的组合，集合框架提供了一种统一的方式来表示和操作各种集合，无需重复造轮子，减少了编程工作。提供了高性能的数据结构和算法实现，只需学习一组通用的集合API，减低学习难度。

集合框架的设计旨在使开发人员能够更轻松地管理和操作数据，同时提供了高性能和可扩展性。

集合接口

Java集合框架定义了一系列容器接口，主要分为两个层次，分别是Collection接口和Map接口，集合接口用于规范容器的行为以及提供统一的设计：

记录：

  • Collection ：是大部分集合框架的根接口，表示一组对象。它定义了基本的集合操作，如添加、删除、遍历等。
    • Set：继承自Collection，表示不包含重复元素的集合。它没有提供额外的方法，只是保证不包含重复元素。
      • SortedSet：继承自Set，对元素进行排序存储。提供了一些按比较器排序或自然排序的方法。
        • NavigableSet：继承自SortedSet，定义了一些导航方法，如获取最小、最大元素等。
    • List：继承自Collection，表示有序的集合，允许包含重复元素。提供了根据索引访问元素的方法。
    • Queue：继承自Collection，表示队列数据结构，按照先进先出（FIFO）的原则处理元素。
      • BlockingQueue：继承自Queue，增加了支持阻塞操作的方法，用于多线程环境中的生产者-消费者模型。
        • TransferQueue：基础自BlockingQueue，它提供了更强大的元素传输机制。
      • Deque：继承自Queue，表示双端队列，可以在两端插入和删除元素。
        • BlockingDeque：继承自Deque和BlockingQueue，支持阻塞操作的双端队列。
  • Map：表示键值对的集合，每个键关联一个值。Map不是Collection的子接口。
    • SortedMap：继承自Map，按照比较器或键的自然顺序对键进行排序。
      • NavigableMap：继承自SortedMap，提供了导航方法，如获取比指定键大或小的键。
    • ConcurrentMap：继承自Map，支持并发访问，定义了一些原子性的操作。
      • ConcurrentNavigableMap：继承自ConcurrentMap和NavigableMap，表示支持并发访问和导航操作的映射。

这里没有写Stack，是因为Stack的功能已被JDK 1.6引入的Deque取代。

集合实现

上述接口的常见实现类见下表，我们这个系列会逐一学习这些实现类的基本用法。

Interface Hash Table
（哈希表）		 Resizable Array
（可变数组）		 Balanced Tree
（平衡树）		 Linked List
（链表）		 Hash Table + Linked List
Set HashSet TreeSet LinkedHashSet
List ArrayList LinkedList
Deque ArrayDeque LinkedList
Map HashMap TreeMap LinkedHashMap

并发集合

在多线程编程中，对集合进行操作需要特别小心以避免并发问题。Java提供了丰富的并发编程支持，其中包括了许多并发友好的集合接口和实现。

  • BlockingQueue：
    • 扩展了普通队列的功能，提供了在多线程环境下进行元素传输的能力。它包含了一些阻塞操作，如put和take，用于在队列为空或已满时进行等待。
    • 实现：
      • LinkedBlockingQueue：基于链表实现，支持有界和无界的队列。
      • ArrayBlockingQueue：基于数组实现，支持有界的队列。
      • PriorityBlockingQueue：无界队列，按照元素的优先级进行排序。
      • DelayQueue：用于按照元素的延迟时间进行排序的无界队列。
      • SynchronousQueue：一个不存储元素的队列，每个插入操作必须等待一个相应的删除操作，反之亦然。
  • TransferQueue：
    • 是BlockingQueue的子接口，引入了更高级别的元素传输机制。它提供了transfer方法，可以立即传输元素给等待的消费者。
    • 实现：
      • LinkedTransferQueue：TransferQueue的一个实现，提供了更高级别的元素传输机制。
  • BlockingDeque：
    • 双端队列的接口，它扩展了BlockingQueue和Deque的功能，提供了在两端插入和删除元素的能力。
    • 实现：
      • LinkedBlockingDeque：基于链表实现，支持有界和无界的双端队列。
  • ConcurrentMap：
    • 扩展了普通的Map接口，提供了对并发访问的支持。它定义了一些原子性的操作，如putIfAbsent和replace。
    • 实现：
      • ConcurrentHashMap：采用分段锁的机制，提高并发性能。
  • ConcurrentNavigableMap：
    • ConcurrentMap的子接口，它扩展了NavigableMap接口，提供了对并发访问的支持以及导航特性。
    • 实现：
      • ConcurrentSkipListMap：基于跳表（SkipList）实现，并支持并发访问和导航特性。

泛型

Java的泛型是一种方便的语法糖，通过在编译阶段进行字符串替换来实现。在JDK 1.5及以后的版本中引入了泛型机制，使得容器可以容纳任何类型的对象。泛型的优势在于在编译时捕获类型错误，避免了在运行时发生的类型转换错误。相比于JDK 1.4及之前的显式类型转换，使用泛型可以使代码更简洁、可读性更高，并提高了代码的安全性。

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// JDK 1.4 or before
ArrayList list = new ArrayList();
list.add(new String("Monday"));
list.add(new String("Tuesday"));
list.add(new String("Wednesday"));
for(int i = 0; i < list.size(); i++){
    String weekday = (String)list.get(i); // 显式类型转换
    System.out.println(weekday.toUpperCase());
}

// JDK 1.5 or later
ArrayList<String> list = new ArrayList<String>(); // 参数化类型
list.add(new String("Monday"));
list.add(new String("Tuesday"));
list.add(new String("Wednesday"));
for(int i = 0; i < list.size(); i++){
    String weekday = list.get(i); // 隐式类型转换，编译器自动完成
    System.out.println(weekday.toUpperCase());
}