Java Collections Framework概覽

概覽

容器，就是可以容納其他Java對象的對象。Java Collections Framework（JCF）為Java開發者提供了通用的容器，其始于JDK 1.2，優點是：

• 降低編程難度
• 提高程序性能
• 提高API間的互操作性
• 降低學習難度
• 降低設計和實現相關API的難度
• 增加程序的重用性

Java容器里只能放對象，對于基本類型（int, long, float, double等），需要將其包裝成對象類型后（Integer, Long, Float, Double等）才能放到容器里。很多時候拆包裝和解包裝能夠自動完成。這雖然會導致額外的性能和空間開銷，但簡化了設計和編程。

泛型（Generics）

Java容器能夠容納任何類型的對象，這一點表面上是通過泛型機制完成，Java泛型不是什么神奇的東西，只是編譯器為我們提供的一個“語法糖”，泛型本身并不需要Java虛擬機的支持，只需要在編譯階段做一下簡單的字符串替換即可。實質上Java的單繼承機制才是保證這一特性的根本，因為所有的對象都是Object的子類，容器里只要能夠存放Object對象就行了。
事實上，所有容器的內部存放的都是Object對象，泛型機制只是簡化了編程，由編譯器自動幫我們完成了強制類型轉換而已。JDK 1.4以及之前版本不支持泛型，類型轉換需要程序員顯式完成。

//JDK 1.4 or before
ArrayList list = new ArrayList();
list.add(new String("Monday"));
list.add(new String("Tuesday"));
list.add(new String("Wensday"));
for(int i = 0; i < list.size(); i++){
    String weekday = (String)list.get(i);//顯式類型轉換
    System.out.println(weekday.toUpperCase());
}

//JDK 1.5 or latter
ArrayList<String> list = new ArrayList<String>();//參數化類型
list.add(new String("Monday"));
list.add(new String("Tuesday"));
list.add(new String("Wensday"));
for(int i = 0; i < list.size(); i++){
    String weekday = list.get(i);//隱式類型轉換，編譯器自動完成
    System.out.println(weekday.toUpperCase());
}

內存管理

跟C++復雜的內存管理機制不同，Java GC自動包攬了一切，Java程序并不需要處理令人頭疼的內存問題，因此JCF并不像C++ STL那樣需要專門的空間適配器（alloctor）。
另外，由于Java里對象都在堆上，且對象只能通過引用（reference，跟C++中的引用不是同一個概念，可以理解成經過包裝后的指針）訪問，容器里放的其實是對象的引用而不是對象本身，也就不存在C++容器的復制拷貝問題。

接口和實現（Interfaces and Implementations）

接口

為了規范容器的行為，統一設計，JCF定義了14種容器接口（collection interfaces），它們的關系如下圖所示：

Map接口沒有繼承自Collection接口，因為Map表示的是關聯式容器而不是集合。但Java為我們提供了從Map轉換到Collection的方法，可以方便的將Map切換到集合視圖。
上圖中提供了Queue接口，卻沒有Stack，這是因為Stack的功能已被JDK 1.6引入的Deque取代。

實現

上述接口的通用實現見下表：

接下來的篇幅，會逐個介紹上表中容器的數據結構以及用到的算法。

迭代器（Iterator）

跟C++ STL一樣，JCF的迭代器（Iterator）為我們提供了遍歷容器中元素的方法。只有容器本身清楚容器里元素的組織方式，因此迭代器只能通過容器本身得到。每個容器都會通過內部類的形式實現自己的迭代器。相比STL的迭代器，JCF的迭代器更容易使用。

//visit a list with iterator
ArrayList<String> list = new ArrayList<String>();
list.add(new String("Monday"));
list.add(new String("Tuesday"));
list.add(new String("Wensday"));
Iterator<String> it = list.iterator();//得到迭代器
while(it.hasNext()){
    String weekday = it.next();//訪問元素
    System.out.println(weekday.toUpperCase());
}

JDK 1.5 引入了增強的for循環，簡化了迭代容器時的寫法。

//使用增強for迭代
ArrayList<String> list = new ArrayList<String>();
list.add(new String("Monday"));
list.add(new String("Tuesday"));
list.add(new String("Wensday"));
for(String weekday : list){//enhanced for statement
    System.out.println(weekday.toUpperCase());
}

源代碼

JDK安裝目錄下的src.zip包含了Java core API的源代碼，本文采用的是JDK 1.7u79的源碼，下載地址。這里復制了一份。

參考文獻

• Collections Framework Overview
• The For-Each Loop

來源：https://github.com/CarpenterLee/JCFInternals/blob/master/markdown/1-Overview.md