4.1　集合框架概述

集合用于存储、检索、操作和传递聚合数据，有点像简易版本的内存数据库，因此集合有时候也被称为容器。通常，集合用来表示形成自然组的数据项，例如扑克牌（卡片集合）、邮件文件夹（字母集合）或电话目录（名称到电话号码的映射）。如果之前已经使用过Java或者其他任何编程语言，那么对于集合应该不会陌生。

4.1.1　集合框架的定义

集合框架（Collections Framework）是用于表示和操作集合的统一体系结构。所有集合框架都包含以下内容：

·　接口：表示集合的抽象数据类型。接口允许独立于其表示的细节来操纵集合。在面向对象语言中，接口通常形成层次结构。

·　实现：集合接口的具体实现。实质上，它们是可重用的数据结构。

·　算法：对实现集合接口的对象执行有用计算（如搜索和排序）的方法。算法被认为是多态的，也就是说，相同的方法可以用于适当的集合接口的许多不同实现。实质上，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 ++标准模板库（STL）和Smalltalk的集合层次结构。从历史上看，集合框架相当复杂，这使得它们具有陡峭的学习曲线的声誉。我们相信Java集合框架打破了这一传统。

4.1.2　Java集合框架的优点

Java集合框架提供以下优点：

·　减少编程工作：通过提供有用的数据结构和算法，集合框架可以让开发者专注于程序的业务部分。通过促进不相关API之间的互操作性，Java集合框架使开发者无须编写适配器对象或转换代码来连接API。

·　提高程序速度和质量：Java集合框架提供有用数据结构和高性能、高质量的算法实现，每个接口的各种实现是可互换的，因此可以通过切换集合实现来轻松调整程序。因为无须花精力重复编写底层数据结构的操作，所以开发者可以有更多的时间用于改进程序的质量和性能。

·　允许不相关的API之间的互操作性：集合接口的API能够无缝实现本地数据与网络数据的互操作。

·　减少学习和使用新API的工作量：许多API自然地在输入上收集集合并将它们作为输出提供。过去，每个这样的API都有一个专门用于操作其集合的小型子API。这些集合子API之间几乎没有一致性，因此开发者必须从头开始学习每一个，并且在使用它们时很容易出错。随着标准集合接口的出现，问题就消失了。

·　减少设计新API的工作量：设计人员和实施人员每次创建依赖于集合的API时都不必重新发明轮子；相反，他们可以使用标准的集合接口促进。对于实现这些接口的对象进行操作的新算法也是如此。

4.1.3　集合框架常见的接口

Java集合框架中的核心集合接口封装了不同类型的集合，这些接口允许独立于其表示的细节来操纵集合。核心集合接口是Java集合框架的基础。核心集合接口可形成层次结构，如图4-1所示。

在图4-1中，主要有两个接口树。一个以Collection开头，包括Set、SortedSet、List和Queue。Set是一种特殊的Collection，而SortedSet是一种特殊的Set，以此类推。另一个以Map开头，包括SortedMap。这意味着Map不是真正的Collection。

核心集合接口的描述如下：

·　Collection：集合层次结构的根。集合表示包含一组元素的对象。Collection接口是所有集合实现的最小公分母，用于传递集合并在需要最大通用性时对其进行操作。某些类型的集合允许重复元素，而其他集合则不允许。有些是有序的，有些则是无序的。Java平台不提供此接口的任何直接实现，但提供了更具体的子接口的实现，例如Set和List。

·　Set：不能包含重复元素的集合。该接口对数学集抽象进行建模，并用于表示集合，例如包含扑克牌的牌，构成学生日程的课程或在机器上运行的过程。

·　List：有序集合（有时称为序列）。List可以包含重复元素。List的用户通常可以精确控制列表中每个元素的插入位置，并可以通过整数索引（位置）访问元素。

·　Queue：用于在处理之前保存多个元素的集合。除了基本的Collection操作外，Queue还提供额外的插入、提取和检查操作。Queue通常（但不一定）以FIFO（先进先出）方式对元素进行排序，但优先级队列除外。优先级队列根据提供的比较器或元素的自然顺序对元素进行排序。无论使用什么顺序，队列的头部都是通过调用删除或轮询删除的元素。在FIFO队列中，所有新元素都插入队列的尾部。其他类型的队列可能使用不同的放置规则。每个Queue实现都必须指定其排序属性。

·　Deque：用于在处理之前保存多个元素的集合。除了基本的集合操作外，Deque还提供额外的插入、提取和检查操作。Deque可用作FIFO（先进先出）和LIFO（后进先出）。在双端队列中，可以在两端插入、检索和删除所有新元素。

·　Map：将键映射到值的对象。Map不能包含重复的键。每个键最多可以映射一个值。

·　SortedSet：一个按升序维护其元素的Set。提供了几个额外的操作以利用排序。SortedSet用于自然排序的集合，例如单词列表和成员成绩表等。

·　SortedMap：按升序键顺序维护的Map。这是SortedSet的Map模拟。SortedMap用于自然排序的键/值对集合，例如字典和电话目录等。

4.1.4　集合框架的实现

集合框架的每个接口都有默认实现。其实现主要分为以下几类：

·　通用实现：这是最常用的实现，专为日常使用而设计。

·　专用实现：旨在用于特殊情况，并显示非标准性能特征，使用限制或行为。

·　并发实现：旨在支持高并发性，通常以单线程性能为代价。这些实现是java.util.concurrent包的一部分。

·　包装器实现：与其他类型的实现（通常是通用实现）结合使用，以提供增加或限制的功能。

·　便利实现：通常通过静态工厂方法提供的小型实现，为特殊集合（例如，单例集）的通用实现提供方便、有效的替代方案。

·　抽象实现：这是骨架实现，有助于构建自定义的实现。Java允许开发者自定义集合的实现，但大多数情况下并不需要这么做。

Java提供的集合框架接口的实现如表4-1所示。

后续章节还将继续介绍这些实现的具体使用方式。