Java 集合框架1：Collection
集合框架
1.概述
集合 collection ，也稱為 container 容器，一個將多個物件組合成一個單元的物件。集合用於儲存、返回、操作以及聚合。集合框架是一個統一表示和管理集合的框架。它減少不必要的程式設計工作，提升程式的速度和質量、互操作性，減少重複設計。
介面、實現、聚合操作和演算法共同組成了 Java 的集合框架。
- 介面：表示集合的抽象資料型別。介面允許獨立於集合具體表示（實現）來操作集合。
- 實現：對集合介面的具體實現。
- 演算法：集合上的各種計算操作，演算法應該具有多型性，即同樣的方法可以在不同的實現下的集合介面下使用。
2.Collection
Collection 是集合框架最基本的介面，除了 Map 外，List、Queue、Set 類集合都實現了它。
基本方法
1.基礎操作：
int size();boolean isEmpty();boolean contains(Object o);boolean add(E e);boolean remove(Object o);Iterator<E> iterator();
2.bulk 操作有：
boolean containsAll(Collection<?> c);boolean addAll(Collection<? extends E> c);boolean removeAll(Collection<?> c);boolean retainAll(Collection<?> c);-
void clear();。
3.stream 流：
-
default Stream<E> stream() { return StreamSupport.stream(spliterator(), false); } -
default Stream<E> parallelStream() { return StreamSupport.stream(spliterator(), true); }
4.針對Array，還有以下的額外操作：
Object[] toArray();<T> T[] toArray(T[] a);
容器遍歷
遍歷容器主要有三種方法： 聚合操作、for-each、迭代器Iterator。
String joined = elements.stream()
.map(Object::toString)
.collect(Collectors.joining(", "));
for (Object o : collection)
System.out.println(o);
public interface Iterator<E> {
boolean hasNext();
E next();
void remove(); //optional
}
對於 Iterator 中的 remove 方法，只能在每次 next 方法之後至多呼叫一次，否則將會丟擲異常。使用迭代器的好處是可以對 collection 中的元素進行刪除。在迭代過程中，Iterator 的 remove 方法是唯一可以刪除元素的操作，如果在迭代過程中通過其他方式對元素有其他修改，將會丟擲異常。
在下面的兩種情況下使用 Iterator，而不是 for-each：
- 在迭代中需要刪除元素。
- 並行的對容器進行迭代操作。
static void filter(Collection<?> c) { for (Iterator<?> it = c.iterator(); it.hasNext(); ) if (!cond(it.next())) it.remove(); }
容器實現
集合的實現實現了集合介面的方法，主要包含：
- General-purpose，使用最廣泛，在日常場景中使用。
- Special-purpose，對於特殊場景設計，具有非標準的效能特點和使用限制，行為。
- Concurrent，支援併發。
- Wrapper，用於組合不同的實現，比如為 general-purpose 實現的集合新增特殊的功能。
- Convenience，最小實現，通過靜態工廠方法方法獲得，用於替代 general-purpose 的方便，有效的實現。
- Abstract，骨架實現，方便構成。
上面的實現都允許插入 null 元素；並且都不是執行緒安全的。具有快速失敗（fast-fail）的迭代器設計：當迭代容器時檢測到了並行修改時，迭代器將會立即丟擲異常，防止任意的、不可期的行為發生。它們都實現了 Serializable 介面，並且都實現了 public 的 clone 方法。遺留的 Vector 和 Hashtable 是執行緒安全的，但已經建議不再使用了。如果需要執行緒安全的容器，可以使用 Collections 中的 synchronized wrapper 將上面的實現轉化成執行緒安全的，另外在 Java 的 concurrent 包中，提供了更多高效能的併發容器，比如 BlockingQueue ， ConcurrentHashMap 等。
元素排序
集合中某些實現類底層是按照一定規則進行儲存，如 TreeMap 、 TreeSet。這裡有兩種排序方式：自然排序與定製排序。
1.自然排序
Java 提供 Comparable 介面，其中有 compareTo 方法。使用自然排序，需要容器中的元素實現 Comparable 介面中的 compareTo 方法，集合的排序根據 compareTo 方法來比較大小進行排序。
Java 基本型別的包裝類都已實現 compareTo 方法。
對於 Comparable 介面的實現，最好符合以下事項：
- 符合
e1.compareTo(e2) == 0和e1.equals(e2)等價。 - 對 null 元素比較需要丟擲 NullPointerException。因為 null 不是任何類的例項。
- compareTo 返回負數、零、正數，分別表示小於、等於、大於，且滿足
sign(x.compareTo(y)) == -sign(y.compareTo(x))。 - compareTo 的實現滿足傳遞性：
x.compareTo(y) == 0=>sign(x.compareTo(z)) = sign(y.compareTo(z))。
2.定製排序
如果需要按特殊規則排序或者元素本身不具備比較性時，需要使用定製排序。
定製排序需要一個實現 Comparator 介面的 compare 方法的實現類，並在建立介面時將其作為引數傳遞過去。示例如下：
public class MyComparator implements Comparator {
@Override
public int compare(Object o1, Object o2) {
// 指定排序規則
return 0;
}
}
TreeSet tree = new TreeSet(new MyComparator());
3.Collections
collections 是作為 collection 的工具實現類。常用方法示例如下：
包裝器實現（Wrapper Implementations）
collections 的包裝器是裝飾器模式來實現的，包裝器並不提供公用類，都只提供靜態的工廠方法。
1.同步包裝器（Synchronization Wrappers）
同步包裝器為非執行緒安全的 collection 提供同步，通過以下方法，返回對應實現類的同步版本類：
上面的每一個方法返回執行緒安全的基於指定 collection 的同步 collection。
下面以 synchronizedList 方法裝飾 ArrayList 為例，使用以下方式返回執行緒安全的 SynchronizedRandomAccessList：
List<Type> list = Collections.synchronizedList(new ArrayList<Type>());
ArrayList 實現了 RandomAccess 介面，應當返回 SynchronizedRandomAccessList ，而 SynchronizedRandomAccessList 繼承 SynchronizedList ，實際上的同步實現在 SynchronizedList 中。（如果裝飾 LinkedList，因為未實現 RandomAccess 介面，直接返回 SynchronizedList。）
SynchronizedList 類中，所有方法內部添加了 synchronized 來同步程式碼塊。
注意：SynchronizedList 只實現了與 ArrayList 實現的介面，對於 ArrayList 提供的額外方法，如 ensureCapacity，無法呼叫。其它同步包裝器也如此。
2.不可變包裝器（Unmodified Wrappers）
不可變包裝器將 collection 進行改變的方法實現為丟擲 UnsupportedOperationException，來保證 collection 不可變或只讀，通過以下方法，返回對應實現類的不可變版本類：
Unmodified Wrappers 的實現方式與 Synchronization Wrappers 實現類似，都採用了裝飾器模式。以返回的 UnmodifiableList 為例，對於原本修改的方法，“重寫”為丟擲異常：
Empty 物件
Collections 以下方法返回空的容器：
它主要用於取代 null 的情況，當某個方法需要一個容器作為引數且不能為 null，你不想提供任何值的時候，就建立一個空的 collection：
tourist.declarePurchases(Collections.emptySet());
其實現方式是返回對應的 Empty 物件，以 emptyList 為例：
可以看出，每次呼叫 emptyList 時，返回的都是同一個 EmptyList 物件，以達到共用的目的。
不可變單例 Set（Immutable Singleton Set）
singleton 用於建立只包含單個指定元素的 Set。常用的就是移除集合中某個元素：
c.removeAll(Collections.singleton(e));
另外一個類似的就是移除 Map 中指定的 value：
job.values().removeAll(Collections.singleton(LAWYER));
不可變多副本列表（Immutable Multiple-Copy List）
nCopies 方法可以建立同個物件的多個副本的不可變 List 。比如建立具有 1000 個 Type 型別的 null 物件：
List<Type> list = new ArrayList<Type>(Collections.nCopies(1000, (Type) null);
第二個主要的用法是在List後面追加：
lovablePets.addAll(Collections.nCopies(69, "fruit bat"));
元素排序
sort 方法實現了對 List 進行排序，其實歸根到底還是呼叫了 Arrays 的排序演算法。
Arrays 的 mergeSort 用到了快速排序演算法，其比較大小的依據為 Comparable 介面中的 compareTo 方法。
所以呼叫 sort 方法時，需要保證集合中的元素實現了 Comparable 介面：
4.Stream API
Stream 是 Java 8 中處理集合的關鍵抽象概念，它可以指定對集合進行的操作，可以執行非常複雜的查詢、過濾和對映資料等操作。
它具有如下特點：
- Stream 自己不會儲存元素。
- Stream 不會改變源物件，相反，它們會返回一個持有結果的新 Stream。
- Stream 操作是延遲執行的，這意味這它們會等到需要結果的時候才執行。