一、集合简介

集合（有时称为容器）只是将多个元素分组到单个单元中的对象。集合用于存储、检索、操作和传达聚合数据。通常，它们表示形成自然组的数据项，例如扑克手（纸牌集合）、邮件文件夹（字母集合）或电话簿（名称到电话号码的映射）。如果您使用过 Java 编程语言（或者几乎任何其他编程语言），那么您已经熟悉集合。

1、什么是集合框架？

集合框架是用于表示和操作集合的统一体系结构。所有集合框架都包含以下内容：

接口：这些是表示集合的抽象数据类型。接口允许独立于其表示形式的细节操作集合。在面向对象的语言中，接口通常形成层次结构。
实现：这些是集合接口的具体实现。从本质上讲，它们是可重用的数据结构。
算法：这些是对实现集合接口的对象执行有用计算（如搜索和排序）的方法。这些算法被称为多态的：也就是说，相同的方法可以用于相应集合接口的许多不同实现。从本质上讲，算法是可重用的功能。

除了Java集合框架之外，最著名的集合框架示例是C++标准模板库（STL）和Smalltalk的集合层次结构。从历史上看，集合框架一直非常复杂，这使它们以具有陡峭的学习曲线而闻名。我们相信 Java 集合框架打破了这一传统，您将在本章中亲自学习。

2、Java 集合框架的优势

Java 集合框架具有以下优点：

减少编程工作量：通过提供有用的数据结构和算法，集合框架使您可以专注于程序的重要部分，而不是使其工作所需的低级“管道”。通过促进不相关的 API 之间的互操作性，Java 集合框架使您无需编写适配器对象或转换代码来连接 API。
提高程序速度和质量：此集合框架提供了有用数据结构和算法的高性能、高质量实现。每个接口的各种实现是可互换的，因此可以通过切换集合实现轻松调整程序。因为您摆脱了编写自己的数据结构的苦差事，所以您将有更多时间致力于提高程序的质量和性能。
允许不相关的 API 之间的互操作性：集合接口是 API 来回传递集合的方言。如果我的网络管理 API 提供节点名称的集合，并且您的 GUI 工具包需要列标题的集合，则我们的 API 将无缝互操作，即使它们是独立编写的。
减少学习和使用新 API 的工作量：许多 API 自然地将集合作为输出提供。过去，每个这样的 API 都有一个专门用于操作其集合的小型子 API。这些临时集合子 API 之间几乎没有一致性，因此您必须从头开始学习每个子 API，并且在使用它们时很容易出错。随着标准集合接口的出现，问题消失了。
减少设计新 API 的工作量：这是先前优势的另一面。设计人员和实现者不必在每次创建依赖于集合的 API 时都重新发明轮子;相反，它们可以使用标准集合接口。
促进软件重用：符合标准集合接口的新数据结构本质上是可重用的。对实现这些接口的对象进行操作的新算法也是如此。

二、接口

核心集合接口封装了不同类型的集合，如下图所示。这些接口允许独立于其表示形式的细节操作集合。核心集合接口是 Java 集合框架的基础。如下图所示，核心集合接口形成层次结构。

集合是一种特殊的集合，SortedSet是一种特别的集合，依此类推。还要注意，层次结构由两个不同的树组成——Map不是真正的Collection。
请注意，所有核心集合接口都是通用的。例如，这是Collection接口的声明。

public interface Collection<E>...

<E>语法告诉接口是通用的。当您声明集合实例时，您可以并且应该指定集合中包含的对象的类型。通过指定类型，编译器可以（在编译时）验证放入集合中的对象的类型是否正确，从而减少运行时的错误。

当您了解如何使用这些接口时，您将了解关于Java Collections Framework的大部分内容。本章讨论了有效使用接口的一般准则，包括何时使用哪个接口。您还将学习每个接口的编程习惯用法，以帮助您充分利用它。
为了保持核心集合接口的数量可管理，Java平台没有为每个集合类型的每个变体提供单独的接口。（这样的变体可能包括不可变、固定大小和仅追加。）相反，每个接口中的修改操作都被指定为可选的——给定的实现可能会选择不支持所有操作。如果调用了不支持的操作，则集合将抛出UnsupportedOperationException。实施负责记录他们支持的可选操作。Java平台的所有通用实现都支持所有可选操作。
以下列表介绍了核心集合接口：

集合-集合层次结构的根。集合表示一组称为其元素的对象。Collection接口是所有集合实现的最基本的接口，用于传递集合，并在需要最大通用性时对其进行操作。某些类型的集合允许重复元素，而另一些则不允许。有些是有序的，有些是无序的。Java平台不提供该接口的任何直接实现，但提供了更具体的子接口的实现，如Set和List。
集合-不能包含重复元素的集合。该接口对数学集合抽象进行建模，并用于表示集合，例如组成扑克手的卡片、组成学生时间表的课程或机器上运行的过程。另请参见“设置接口”部分。
列表-有序集合（有时称为序列）。列表可以包含重复的元素。列表的用户通常可以精确控制每个元素在列表中的插入位置，并可以通过其整数索引（位置）访问元素。如果您使用过Vector，那么您就熟悉List的一般风格。另请参阅“列表接口”部分。队列-用于在处理之前容纳多个元素的集合。除了基本的“收集”操作外，“队列”还提供其他插入、提取和检查操作。队列通常（但不一定）以FIFO（先进先出）方式对元素进行排序。例外情况包括优先级队列，它根据提供的比较器或元素的自然排序对元素进行排序。无论使用何种排序，队列的头都是将通过调用remove或poll来移除的元素。在FIFO队列中，所有新元素都插入到队列的尾部。其他类型的队列可以使用不同的放置规则。每个队列实现都必须指定其排序属性。另请参阅队列接口部分。
Deque-在处理之前用于容纳多个元素的集合。除了基本的“收集”操作外，Deque还提供额外的插入、提取和检查操作。
Deques既可以用作FIFO（先进先出）也可以用作LIFO（后进先出）。在deque中，所有新元素都可以在两端插入、检索和移除。另请参阅Deque接口部分。
映射-将关键点映射到值的对象。映射不能包含重复的键；每个键最多可以映射到一个值。如果您使用过Hashtable，那么您已经熟悉了Map的基本知识。

最后两个核心集合接口只是Set和Map的排序版本：

SortedSet-一个按升序维护其元素的集合。提供了几个额外的操作来利用订购。排序集用于自然排序集，例如单词列表和成员名册。另请参阅“排序集接口”部分。
SortedMap-一个按升序维护映射的Map。这是SortedSet的Map模拟。排序映射用于键/值对的自然排序集合，例如字典和电话簿。另请参阅“已排序映射接口”部分。

三、集合接口

集合表示一组称为其元素的对象。Collection接口用于传递需要最大通用性的对象集合。例如，按照惯例，所有通用集合实现都有一个接受collection参数的构造函数。此构造函数被称为转换构造函数，它初始化新集合以包含指定集合中的所有元素，无论给定集合的子接口或实现类型如何。换句话说，它允许您转换集合的类型。
例如，假设您有一个Collection＜String＞c，它可能是List、Set或其他类型的Collection。这个习惯用法创建了一个新的ArrayList（List接口的实现），最初包含c中的所有元素。

List<String> list = new ArrayList<String>(c);

Collection接口包含执行基本操作的方法，如int size（）、boolean isEmpty（）、boolean contains（Object element）、boolean add（E element）、boolean remove（Object element）和Iterator＜E＞Iterator（）。
它还包含对整个集合进行操作的方法，如boolean containsAll（Collection＜？＞c）、boolean addAll（Collection＜±extends E>c）、boolean removeAll（Collection＞？＞c（Collection＜？＞c））、boole retanall（Collection＜＞c）和void clear（）。
数组操作的其他方法（如Object[] toArray() and <T> T[] toArray(T[] a)）也存在。
在JDK8及更高版本中，Collection接口还公开了Stream＜E＞Stream（）和 Stream<E> parallelStream() 方法，用于从底层集合中获取顺序或并行流。（有关使用流的更多信息，请参阅题为“聚合操作”的课程。）
Collection接口实现了您所期望的功能，因为Collection表示一组对象。它有告诉您集合中有多少元素的方法（size，isEmpty），检查给定对象是否在集合中的方法（contains），向集合中添加和移除元素的方法，以及在集合上提供迭代器的方法（迭代器）。
add方法定义得足够一般，因此它对允许重复的集合和不允许重复的集都有意义。它保证在调用完成后Collection将包含指定的元素，如果Collection因调用而更改，则返回true。类似地，remove方法被设计为从Collection中删除指定元素的单个实例，假设它包含要开始的元素，并且如果Collection因此被修改，则返回true。

1、遍历集合

遍历集合有三种方法：（1）使用聚合运算（2）使用for每个构造；（3）使用Iterator。

1.1 聚合操作

在JDK8及更高版本中，迭代集合的首选方法是获得流并对其执行聚合操作。聚合操作通常与lambda表达式一起使用，以使编程更具表达性，使用更少的代码行。以下代码依次遍历一组形状并打印出红色对象：

myShapesCollection.stream()
.filter(e -> e.getColor() == Color.RED)
.forEach(e -> System.out.println(e.getName()));

同样，您可以很容易地请求并行流，如果集合足够大并且您的计算机有足够的计算能力，这可能是有意义的：

myShapesCollection.parallelStream()
.filter(e -> e.getColor() == Color.RED)
.forEach(e -> System.out.println(e.getName()));

使用此API有许多不同的数据收集方法。例如，您可能希望将Collection的元素转换为String对象，然后将它们连接起来，用逗号分隔：

 String joined = elements.stream()
    .map(Object::toString)
    .collect(Collectors.joining(", "));

或者也许将所有员工的工资相加：

int total = employees.stream()
.collect(Collectors.summingInt(Employee::getSalary)));

1.2 for-each

for each构造允许您使用for循环简明地遍历集合或数组。以下代码使用for each构造在单独的一行上打印出集合的每个元素：

for (Object o : collection)
    System.out.println(o);

1.2 Iterators

迭代器是一个对象，使您能够遍历集合，并根据需要选择性地从集合中删除元素。通过调用集合的迭代器方法，可以获得该集合的一个迭代器。以下是Iterator接口：

public interface Iterator<E> {
    boolean hasNext();
    E next();
    void remove(); //optional
}

如果迭代有更多的元素，那么hasNext方法返回true，next方法返回迭代中的下一个元素。remove方法从基础集合中移除next返回的最后一个元素。remove方法每次调用next只能调用一次，如果违反此规则，就会抛出异常。
请注意，Iterator.remove是在迭代过程中修改集合的唯一安全方法；如果在迭代过程中以任何其他方式修改了基础集合，则行为是未指定的。
当需要执行以下操作时，请使用迭代器而不是用于每个构造：

删除当前元素。for each构造隐藏迭代器，因此不能调用remove。因此，for each构造不可用于过滤。
并行遍历多个集合。

下面的方法向您展示了如何使用迭代器来筛选任意集合——也就是说，遍历集合以删除特定元素：

static void filter(Collection<?> c) {
    for (Iterator<?> it = c.iterator(); it.hasNext(); )
        if (!cond(it.next()))
            it.remove();
}

这段简单的代码是多态的，这意味着无论实现如何，它都适用于任何Collection。这个例子展示了使用Java集合框架编写多态算法是多么容易。

2、集合接口批量操作

批量操作对整个集合执行操作。您可以使用基本操作来实现这些简写操作，尽管在大多数情况下，这样的实现效率较低。以下是批量操作：

containsAll-如果目标集合包含指定集合中的所有元素，则返回true。
addAll-将指定集合中的所有元素添加到目标集合中。
removeAll-从目标集合中删除指定集合中包含的所有元素。
retainAll-从目标集合中删除指定集合中未包含的所有元素。也就是说，它只保留目标集合中也包含在指定集合中的那些元素。
clear-从集合中删除所有元素。

如果在执行操作的过程中修改了目标Collection，那么addAll、removeAll和retainAll方法都返回true。
作为批量操作能力的一个简单示例，请考虑以下习语，从Collection，c中删除指定元素e的所有实例。

c.removeAll(Collections.singleton(e));

更具体地说，假设您想从集合中删除所有null元素。

c.removeAll(Collections.singleton(null));

这个习惯用法使用Collections.singleton，这是一个静态工厂方法，返回一个只包含指定元素的不可变Set。

3、集合接口数组操作

toArray方法是作为集合和旧API之间的桥梁提供的，旧API期望在输入时使用数组。数组操作允许将集合的内容转换为数组。不带参数的简单表单会创建一个新的Object数组。更复杂的形式允许调用方提供数组或选择输出数组的运行时类型。
例如，假设c是一个集合。下面的代码段将c的内容转储到新分配的Object数组中，该数组的长度与c中的元素数相同。