【java快速入门-集合篇】- Iterator & Collections

孙博艺
2023-12-01

Iterator

Java的集合类都可以使用for each循环,ListSetQueue会迭代每个元素,Map会迭代每个key。以List为例:

List<String> list = List.of("Apple", "Orange", "Pear");
for (String s : list) {
    System.out.println(s);
}

实际上,Java编译器并不知道如何遍历List。上述代码能够编译通过,只是因为编译器把for each循环通过Iterator改写为了普通的for循环:

for (Iterator<String> it = list.iterator(); it.hasNext(); ) {
     String s = it.next();
     System.out.println(s);
}

我们把这种通过Iterator对象遍历集合的模式称为迭代器。好处在于,调用方总是以统一的方式遍历各种集合类型,而不必关系它们内部的存储结构。因为Iterator对象是集合对象自己在内部创建的,它自己知道如何高效遍历内部的数据集合,调用方则获得了统一的代码,编译器才能把标准的for each循环自动转换为Iterator遍历。

如果我们自己编写了一个集合类,想要使用for each循环,只需满足以下条件:

  • 集合类实现Iterable接口,该接口要求返回一个Iterator对象;
  • Iterator对象迭代集合内部数据。

这里的关键在于,集合类通过调用iterator()方法,返回一个Iterator对象,这个对象必须自己知道如何遍历该集合。

一个简单的Iterator示例如下,它总是以倒序遍历集合:

import java.util.*;
import java.util.function.Consumer;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        ReverseList<String> rlist = new ReverseList<>();
        rlist.add("Apple");
        rlist.add("Orange");
        rlist.add("Pear");
        for (String s : rlist) {
            System.out.println(s);
        }
    }
}

class ReverseList<T> implements Iterable<T> {//集合类实现Iterable接口

    private List<T> list = new ArrayList<>();

    public void add(T t) {
        list.add(t);
    }

    @Override
    public Iterator<T> iterator() {//返回一个Iterator对象
        return new ReverseIterator(list.size());
    }


    class ReverseIterator implements Iterator<T> {//内部类实现Iterator接口
        int index;

        ReverseIterator(int index) {
            this.index = index;
        }

        @Override
        public boolean hasNext() {
            return index > 0;
        }


        @Override
        public T next() {
            index--;
            return ReverseList.this.list.get(index);
        }
    }
}

在编写Iterator的时候,我们通常可以用一个内部类来实现Iterator接口,这个内部类可以直接访问对应的外部类的所有字段和方法。例如,上述代码中,内部类ReverseIterator可以用ReverseList.this获得当前外部类的this引用,然后,通过这个this引用就可以访问ReverseList的所有字段和方法。

Collections

Collections是JDK提供的工具类,同样位于java.util包中。它提供了一系列静态方法,能更方便地操作各种集合。 注意Collections结尾多了一个s,不是Collection!

创建空集合

Collections提供了一系列方法来创建一个单元素集合:

  • 创建一个元素的List:List<T> singletonList(T o)

  • 创建一个元素的Map:Map<K, V> singletonMap(K key, V value)

  • 创建一个元素的Set:Set<T> singleton(T o)

要注意到返回的空集合是不可变集合,无法向其中添加或删除元素。

此外,也可以用各个集合接口提供的of(T...)方法创建空集合。例如,以下创建空List的两个方法是等价的:

List<String> list1 = List.of();
List<String> list2 = Collections.emptyList();

创建单元素集合

Collections提供了一系列方法来创建一个单元素集合:

  • 创建一个元素的List:List<T> singletonList(T o)

  • 创建一个元素的Map:Map<K, V> singletonMap(K key, V value)

  • 创建一个元素的Set:Set<T> singleton(T o)

要注意到返回的单元素集合也是不可变集合,无法向其中添加或删除元素。

此外,也可以用各个集合接口提供的of(T...)方法创建单元素集合。例如,以下创建单元素List的两个方法是等价的:

List<String> list1 = List.of("apple");
List<String> list2 = Collections.singletonList("apple");

实际上,使用List.of(T...)更方便,因为它既可以创建空集合,也可以创建单元素集合,还可以创建任意个元素的集合:

List<String> list1 = List.of(); // empty list
List<String> list2 = List.of("apple"); // 1 element
List<String> list3 = List.of("apple", "pear"); // 2 elements
List<String> list4 = List.of("apple", "pear", "orange"); // 3 elements

排序

Collections可以对List进行排序。因为排序会直接修改List元素的位置,因此必须传入可变List

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        List<String> list = new ArrayList<>();
        list.add("apple");
        list.add("pear");
        list.add("orange");
        // 排序前:
        System.out.println(list);
        Collections.sort(list);
        // 排序后:
        System.out.println(list);
    }
}

洗牌(打乱算法)

Collections提供了洗牌算法,即传入一个有序的List,可以随机打乱List内部元素的顺序,效果相当于让计算机洗牌:

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        List<Integer> list = new ArrayList<>();
        for (int i=0; i<10; i++) {
            list.add(i);
        }
        // 洗牌前:
        System.out.println(list);
        Collections.shuffle(list);
        // 洗牌后:
        System.out.println(list);
    }
}

不可变集合

Collections还提供了一组方法把可变集合封装成不可变集合:

  • 封装成不可变List:List<T> unmodifiableList(List<? extends T> list)

  • 封装成不可变Set:Set<T> unmodifiableSet(Set<? extends T> set)

  • 封装成不可变Map:Map<K, V> unmodifiableMap(Map<? extends K, ? extends V> m)

这种封装实际上是通过创建一个代理对象,拦截掉所有修改方法实现的:

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        List<String> mutable = new ArrayList<>();
        mutable.add("apple");
        mutable.add("pear");
        // 变为不可变集合:
        List<String> immutable = Collections.unmodifiableList(mutable);
        immutable.add("orange"); // UnsupportedOperationException!
    }
}

然而,继续对原始的可变List进行增删是可以的,并且,会直接影响到封装后的“不可变”List

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        List<String> mutable = new ArrayList<>();
        mutable.add("apple");
        mutable.add("pear");
        // 变为不可变集合:
        List<String> immutable = Collections.unmodifiableList(mutable);
        mutable.add("orange");
        System.out.println(immutable);
    }
}
output:[apple, pear, orange]

因此,如果我们希望把一个可变List封装成不可变List,那么,返回不可变List后,最好立刻扔掉可变List的引用,这样可以保证后续操作不会意外改变原始对象,从而造成“不可变”List变化了:

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        List<String> mutable = new ArrayList<>();
        mutable.add("apple");
        mutable.add("pear");
        // 变为不可变集合:
        List<String> immutable = Collections.unmodifiableList(mutable);
        // 立刻扔掉mutable的引用:
        mutable = null;
        System.out.println(immutable);
    }
}

线程安全集合

Collections还提供了一组方法,可以把线程不安全的集合变为线程安全的集合:

  • 变为线程安全的List:List<T> synchronizedList(List<T> list)

  • 变为线程安全的Set:Set<T> synchronizedSet(Set<T> s)

  • 变为线程安全的Map:Map<K,V> synchronizedMap(Map<K,V> m)

(因为从Java 5开始,引入了更高效的并发集合类,所以上述这几个同步方法已经没有什么用了。)

 

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