Java Collections:专为集合框架而生的工具类

沉默王二2021年10月22日
大约 6 分钟

Collections 是 JDK 提供的一个工具类,位于 java.util 包下,提供了一系列的静态方法,方便我们对集合进行各种骚操作,算是集合框架的一个大管家。

还记得我们前面讲过的 Arrays 工具类open in new window吗?可以回去温习下。

Collections 的用法很简单,在 Intellij IDEA 中敲完 Collections. 之后就可以看到它提供的方法了,大致看一下方法名和参数就能知道这个方法是干嘛的。

为了节省大家的学习时间,我将这些方法做了一些分类,并列举了一些简单的例子。

01、排序操作

  • reverse(List list):反转顺序
  • shuffle(List list):洗牌,将顺序打乱
  • sort(List list):自然升序
  • sort(List list, Comparator c):按照自定义的比较器排序
  • swap(List list, int i, int j):将 i 和 j 位置的元素交换位置

来看例子:

List<String> list = new ArrayList<>();
list.add("沉默王二");
list.add("沉默王三");
list.add("沉默王四");
list.add("沉默王五");
list.add("沉默王六");

System.out.println("原始顺序:" + list);

// 反转
Collections.reverse(list);
System.out.println("反转后:" + list);

// 洗牌
Collections.shuffle(list);
System.out.println("洗牌后:" + list);

// 自然升序
Collections.sort(list);
System.out.println("自然升序后:" + list);

// 交换
Collections.swap(list, 2,4);
System.out.println("交换后:" + list);

输出后:

原始顺序:[沉默王二, 沉默王三, 沉默王四, 沉默王五, 沉默王六]
反转后:[沉默王六, 沉默王五, 沉默王四, 沉默王三, 沉默王二]
洗牌后:[沉默王五, 沉默王二, 沉默王六, 沉默王三, 沉默王四]
自然升序后:[沉默王三, 沉默王二, 沉默王五, 沉默王六, 沉默王四]
交换后:[沉默王三, 沉默王二, 沉默王四, 沉默王六, 沉默王五]

02、查找操作

  • binarySearch(List list, Object key):二分查找法,前提是 List 已经排序过了
  • max(Collection coll):返回最大元素
  • max(Collection coll, Comparator comp):根据自定义比较器,返回最大元素
  • min(Collection coll):返回最小元素
  • min(Collection coll, Comparator comp):根据自定义比较器,返回最小元素
  • fill(List list, Object obj):使用指定对象填充
  • frequency(Collection c, Object o):返回指定对象出现的次数

来看例子:

System.out.println("最大元素:" + Collections.max(list));
System.out.println("最小元素:" + Collections.min(list));
System.out.println("出现的次数:" + Collections.frequency(list, "沉默王二"));

// 没有排序直接调用二分查找,结果是不确定的
System.out.println("排序前的二分查找结果:" + Collections.binarySearch(list, "沉默王二"));
Collections.sort(list);
// 排序后,查找结果和预期一致
System.out.println("排序后的二分查找结果:" + Collections.binarySearch(list, "沉默王二"));

Collections.fill(list, "沉默王八");
System.out.println("填充后的结果:" + list);

输出后:

原始顺序:[沉默王二, 沉默王三, 沉默王四, 沉默王五, 沉默王六]
最大元素:沉默王四
最小元素:沉默王三
出现的次数:1
排序前的二分查找结果:0
排序后的二分查找结果:1
填充后的结果:[沉默王八, 沉默王八, 沉默王八, 沉默王八, 沉默王八]

03、同步控制

HashMap 是线程不安全open in new window的,这个我们前面讲到了。那其实 ArrayList 也是线程不安全的,没法在多线程环境下使用,那 Collections 工具类中提供了多个 synchronizedXxx 方法,这些方法会返回一个同步的对象,从而解决多线程中访问集合时的安全问题。

使用起来也非常的简单:

SynchronizedList synchronizedList = Collections.synchronizedList(list);

看一眼 SynchronizedList 的源码就明白了,不过是在方法里面使用 synchronized 关键字加了一层锁而已。

static class SynchronizedList<E>
    extends SynchronizedCollection<E>
    implements List<E> {
    private static final long serialVersionUID = -7754090372962971524L;

    final List<E> list;

    SynchronizedList(List<E> list) {
        super(list);
        this.list = list;
    }

    public E get(int index) {
        synchronized (mutex) {return list.get(index);}
    }
    
    public void add(int index, E element) {
        synchronized (mutex) {list.add(index, element);}
    }
    public E remove(int index) {
        synchronized (mutex) {return list.remove(index);}
    }
}

那这样的话,其实效率和那些直接在方法上加 synchronized 关键字的 Vector、Hashtable 差不多(JDK 1.0 时期就有了),而这些集合类基本上已经废弃了,几乎不怎么用。

public class Vector<E>
    extends AbstractList<E>
    implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable
{

    public synchronized E get(int index) {
        if (index >= elementCount)
            throw new ArrayIndexOutOfBoundsException(index);

        return elementData(index);
    }

    public synchronized E remove(int index) {
        modCount++;
        if (index >= elementCount)
            throw new ArrayIndexOutOfBoundsException(index);
        E oldValue = elementData(index);

        int numMoved = elementCount - index - 1;
        if (numMoved > 0)
            System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,
                             numMoved);
        elementData[--elementCount] = null; // Let gc do its work

        return oldValue;
    }
}

正确的做法是使用并发包下的 CopyOnWriteArrayList、ConcurrentHashMap。这些我们放到并发编程时再讲。

04、不可变集合

  • emptyXxx():制造一个空的不可变集合
  • singletonXxx():制造一个只有一个元素的不可变集合
  • unmodifiableXxx():为指定集合制作一个不可变集合

举个例子:

List emptyList = Collections.emptyList();
emptyList.add("非空");
System.out.println(emptyList);

这段代码在执行的时候就抛出错误了。

Exception in thread "main" java.lang.UnsupportedOperationException
	at java.util.AbstractList.add(AbstractList.java:148)
	at java.util.AbstractList.add(AbstractList.java:108)
	at com.itwanger.s64.Demo.main(Demo.java:61)

这是因为 Collections.emptyList() 会返回一个 Collections 的内部类 EmptyList,而 EmptyList 并没有重写父类 AbstractList 的 add(int index, E element) 方法,所以执行的时候就抛出了不支持该操作的 UnsupportedOperationException 了。

这是从分析 add 方法源码得出的原因。除此之外,emptyList 方法是 final 的,返回的 EMPTY_LIST 也是 final 的,种种迹象表明 emptyList 返回的就是不可变对象,没法进行增伤改查。

public static final <T> List<T> emptyList() {
    return (List<T>) EMPTY_LIST;
}

public static final List EMPTY_LIST = new EmptyList<>();

05、其他

还有两个方法比较常用:

  • addAll(Collection<? super T> c, T... elements),往集合中添加元素
  • disjoint(Collection<?> c1, Collection<?> c2),判断两个集合是否没有交集

举个例子:

List<String> allList = new ArrayList<>();
Collections.addAll(allList, "沉默王九","沉默王十","沉默王二");
System.out.println("addAll 后:" + allList);

System.out.println("是否没有交集:" + (Collections.disjoint(list, allList) ? "是" : "否"));

输出后:

原始顺序:[沉默王二, 沉默王三, 沉默王四, 沉默王五, 沉默王六]
addAll 后:[沉默王九, 沉默王十, 沉默王二]
是否没有交集:否

整体上,Collections 工具类作为集合框架的大管家,提供了一些非常便利的方法供我们调用,也非常容易掌握,没什么难点,看看方法的注释就能大致明白干嘛的。

不过,工具就放在那里,用是一回事,为什么要这么用就是另外一回事了。能不能提高自己的编码水平,很大程度上取决于你到底有没有去钻一钻源码,看这些设计 JDK 的大师们是如何写代码的,学会一招半式,在工作当中还是能很快脱颖而出的。

恐怕 JDK 的设计者是这个世界上最好的老师了,文档写得不能再详细了,代码写得不能再优雅了,基本上都达到了性能上的极致。

可能有人会说,工具类没什么鸟用,不过是调用下方法而已,但这就大错特错了:如果要你来写,你能写出来 Collections 这样一个工具类吗?

这才是高手要思考的一个问题。


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