Java中的Collections API - Chamal Weerasinghe - Medium

在Java编程中，当开发者需要在程序中保存和操作一组数据时，他们通常会根据需求选择合适的数据结构。数组是所有编程语言中最基础且最常用的数据结构之一，但在Java中，由于其面向对象的特性，开发者在处理对象集合时需要更高的灵活性。Java的Collections API正是为了解决这一需求而设计的。

Collections API的主要优势

支持泛型：与数组不同，集合允许创建类型安全的集合，避免类型转换问题。
动态扩展：数组大小固定，而集合可以根据需要动态扩展，无需手动复制数据。
灵活的搜索和索引功能：集合提供更高效的索引和搜索功能，而数组只能通过线性搜索。
元素验证：集合框架内置了避免重复元素的功能，并支持基于自定义标准的验证。
元素排序：集合API提供了灵活的排序功能，而数组需要开发者自行实现。
线程安全：集合API提供了多种线程安全的操作，避免数据损坏。
简化迭代：集合API支持多种迭代方式，无需手动编写复杂的循环。

Collections API的核心接口

Iterable：顶级接口，允许集合在for-each循环中使用。
Collection：扩展Iterable，定义了添加和删除元素等基本集合操作。
List：扩展Collection，表示有序的元素列表，支持通过索引访问元素。
Set：扩展Collection，不允许重复元素。
SortedSet：扩展Set，提供维护元素顺序的功能。
Deque：扩展Collection，表示双端队列，支持从两端添加和移除元素。
Map<K, V>：以键值对的形式存储数据，键唯一，值可重复。

使用列表（List）

ArrayList是List<E>接口的实现之一，以下是其初始化和使用示例：

// 创建空的ArrayList
List personListOne = new ArrayList();
// 创建具有预定义大小的ArrayList
List personListTwo = new ArrayList(10);
// 从现有对象创建只读List
List personListThree = List.of(personOne, personTwo);

需要注意的是，尝试向只读的ArrayList添加元素时，会抛出UnsupportedOperationException异常。

使用集合（Set）

HashSet是Set<E>接口的实现，以下是创建HashSet的几种方式：

// 创建空的HashSet
Set personSetOne = new HashSet();
// 创建具有初始大小的HashSet
Set personSetTwo = new HashSet(10);
// 从ArrayList创建HashSet（会去除重复元素）
Set personSetUsingList = new HashSet(personListOne);
// 创建只读HashSet
Set readOnlyPersonSet = Set.of(personOne, personTwo);

此外，还可以通过指定“负载因子”来创建HashSet：

Set setOfSpecialPersons = new HashSet(10, 0.85f);

负载因子决定哈希表在扩容前的填充程度，默认值为0.75。

使用双端队列（Deque）

ArrayDeque是Deque<E>接口的实现，支持从两端添加和移除元素。以下是常用方法示例：

offerFirst：从队列头部添加元素。
pollFirst：移除并返回队列头部的元素。
peekFirst：获取队列头部的元素，但不移除。
offerLast：从队列尾部添加元素。
pollLast：移除并返回队列尾部的元素。
peekLast：获取队列尾部的元素，但不移除。

需要注意的是，ArrayDeque不允许插入null元素。

使用映射（Map）

HashMap<K, V>是Map接口的实现，其键必须唯一，值可以重复。以下是常见操作示例：

Map personMap = new HashMap();
personMap.put("key1", personOne);
personMap.put("key2", personTwo);

HashMap的迭代方式与其他集合不同，通常通过以下两种方式进行：

使用entrySet()方法。
使用keySet()方法。

集合的线程安全

为了防止多线程环境下的数据损坏，Collections API提供了以下解决方案：

不可修改集合：将集合设置为只读，性能高但无法修改。

   Collections.unmodifiableSet(peopleSet);
   Collections.unmodifiableMap(peopleMap);
   Collections.unmodifiableList(peopleList);

同步集合：通过同步机制保证线程安全，但会降低性能。

   Collections.synchronizedSet(peopleSet);
   Collections.synchronizedMap(peopleMap);
   Collections.synchronizedList(peopleList);

写时复制集合：为每个线程创建集合副本，避免数据冲突，但会消耗更多内存。

   new CopyOnWriteArraySet(peopleSet);
   new CopyOnWriteArrayList(peopleList);

对于Map，可以使用ConcurrentHashMap实现类似功能：

new ConcurrentHashMap(peopleMap);

其他有用功能

Collections API还提供了一些实用方法：

Collections.fill()：用指定值填充集合。

  Collections.fill(peopleList, new Person("Lisa", "Vicari"));

Collections.binarySearch()：在集合中执行二分查找。

  Person foundPerson = Collections.binarySearch(peopleList, personOne);

Collections.sort()：对集合进行排序。

  Collections.sort(peopleList);

Collections.reverse()：反转集合的顺序。

  Collections.reverse(peopleList);

Collections.shuffle()：随机打乱集合中的元素。

  Collections.shuffle(peopleList);

通过Java的Collections API，开发者可以高效地管理和操作各种数据集合，同时利用其丰富的功能提升代码的灵活性和可维护性。

原文链接: https://chamalwr.medium.com/collections-api-in-java-6f43dbf28d44