4.1　集合框架概述

集合用于存儲、檢索、操作和傳遞聚合數據，有點像簡易版本的內存數據庫，因此集合有時候也被稱為容器。通常，集合用來表示形成自然組的數據項，例如撲克牌（卡片集合）、郵件文件夾（字母集合）或電話目錄（名稱到電話號碼的映射）。如果之前已經使用過Java或者其他任何編程語言，那么對于集合應該不會陌生。

4.1.1　集合框架的定義

集合框架（Collections Framework）是用于表示和操作集合的統一體系結構。所有集合框架都包含以下內容：

·　接口：表示集合的抽象數據類型。接口允許獨立于其表示的細節來操縱集合。在面向對象語言中，接口通常形成層次結構。

·　實現：集合接口的具體實現。實質上，它們是可重用的數據結構。

·　算法：對實現集合接口的對象執行有用計算（如搜索和排序）的方法。算法被認為是多態的，也就是說，相同的方法可以用于適當的集合接口的許多不同實現。實質上，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 ++標準模板庫（STL）和Smalltalk的集合層次結構。從歷史上看，集合框架相當復雜，這使得它們具有陡峭的學習曲線的聲譽。我們相信Java集合框架打破了這一傳統。

4.1.2　Java集合框架的優點

Java集合框架提供以下優點：

·　減少編程工作：通過提供有用的數據結構和算法，集合框架可以讓開發者專注于程序的業務部分。通過促進不相關API之間的互操作性，Java集合框架使開發者無須編寫適配器對象或轉換代碼來連接API。

·　提高程序速度和質量：Java集合框架提供有用數據結構和高性能、高質量的算法實現，每個接口的各種實現是可互換的，因此可以通過切換集合實現來輕松調整程序。因為無須花精力重復編寫底層數據結構的操作，所以開發者可以有更多的時間用于改進程序的質量和性能。

·　允許不相關的API之間的互操作性：集合接口的API能夠無縫實現本地數據與網絡數據的互操作。

·　減少學習和使用新API的工作量：許多API自然地在輸入上收集集合并將它們作為輸出提供。過去，每個這樣的API都有一個專門用于操作其集合的小型子API。這些集合子API之間幾乎沒有一致性，因此開發者必須從頭開始學習每一個，并且在使用它們時很容易出錯。隨著標準集合接口的出現，問題就消失了。

·　減少設計新API的工作量：設計人員和實施人員每次創建依賴于集合的API時都不必重新發明輪子；相反，他們可以使用標準的集合接口促進。對于實現這些接口的對象進行操作的新算法也是如此。

4.1.3　集合框架常見的接口

Java集合框架中的核心集合接口封裝了不同類型的集合，這些接口允許獨立于其表示的細節來操縱集合。核心集合接口是Java集合框架的基礎。核心集合接口可形成層次結構，如圖4-1所示。

在圖4-1中，主要有兩個接口樹。一個以Collection開頭，包括Set、SortedSet、List和Queue。Set是一種特殊的Collection，而SortedSet是一種特殊的Set，以此類推。另一個以Map開頭，包括SortedMap。這意味著Map不是真正的Collection。

核心集合接口的描述如下：

·　Collection：集合層次結構的根。集合表示包含一組元素的對象。Collection接口是所有集合實現的最小公分母，用于傳遞集合并在需要最大通用性時對其進行操作。某些類型的集合允許重復元素，而其他集合則不允許。有些是有序的，有些則是無序的。Java平臺不提供此接口的任何直接實現，但提供了更具體的子接口的實現，例如Set和List。

·　Set：不能包含重復元素的集合。該接口對數學集抽象進行建模，并用于表示集合，例如包含撲克牌的牌，構成學生日程的課程或在機器上運行的過程。

·　List：有序集合（有時稱為序列）。List可以包含重復元素。List的用戶通常可以精確控制列表中每個元素的插入位置，并可以通過整數索引（位置）訪問元素。

·　Queue：用于在處理之前保存多個元素的集合。除了基本的Collection操作外，Queue還提供額外的插入、提取和檢查操作。Queue通常（但不一定）以FIFO（先進先出）方式對元素進行排序，但優先級隊列除外。優先級隊列根據提供的比較器或元素的自然順序對元素進行排序。無論使用什么順序，隊列的頭部都是通過調用刪除或輪詢刪除的元素。在FIFO隊列中，所有新元素都插入隊列的尾部。其他類型的隊列可能使用不同的放置規則。每個Queue實現都必須指定其排序屬性。

·　Deque：用于在處理之前保存多個元素的集合。除了基本的集合操作外，Deque還提供額外的插入、提取和檢查操作。Deque可用作FIFO（先進先出）和LIFO（后進先出）。在雙端隊列中，可以在兩端插入、檢索和刪除所有新元素。

·　Map：將鍵映射到值的對象。Map不能包含重復的鍵。每個鍵最多可以映射一個值。

·　SortedSet：一個按升序維護其元素的Set。提供了幾個額外的操作以利用排序。SortedSet用于自然排序的集合，例如單詞列表和成員成績表等。

·　SortedMap：按升序鍵順序維護的Map。這是SortedSet的Map模擬。SortedMap用于自然排序的鍵/值對集合，例如字典和電話目錄等。

4.1.4　集合框架的實現

集合框架的每個接口都有默認實現。其實現主要分為以下幾類：

·　通用實現：這是最常用的實現，專為日常使用而設計。

·　專用實現：旨在用于特殊情況，并顯示非標準性能特征，使用限制或行為。

·　并發實現：旨在支持高并發性，通常以單線程性能為代價。這些實現是java.util.concurrent包的一部分。

·　包裝器實現：與其他類型的實現（通常是通用實現）結合使用，以提供增加或限制的功能。

·　便利實現：通常通過靜態工廠方法提供的小型實現，為特殊集合（例如，單例集）的通用實現提供方便、有效的替代方案。

·　抽象實現：這是骨架實現，有助于構建自定義的實現。Java允許開發者自定義集合的實現，但大多數情況下并不需要這么做。

Java提供的集合框架接口的實現如表4-1所示。

后續章節還將繼續介紹這些實現的具體使用方式。