Java Collection Framework -Collection介面的具體詳解
- 黄舟原創
- 2017-03-14 10:27:082449瀏覽
一、要點
Collection 介面
Collection 介面的預設實作：AbstractCollection
Optional operations(可選方法)
二、Collection 介面
#1、 JDK 對Collection 介面的說明
Collection 介面是Collection 層次結構中的根介面。 Collection 表示一組物件，這些物件也稱為 collection 的元素。有些 collection(List,Queue) 允許有重複的元素，而有些(Set)則不允許。有些 collection (List,Queue)是有序的，而另一些(Set)則是無序的。 JDK 不提供此介面的任何直接實作：它提供更具體的子介面（如 Set 和 List）實現，這些子介面繼承自Collection 介面。此介面通常用來傳遞 collection（多型），並在需要最大普遍性的地方操作這些 collection#。
所有通用的Collection 實作類別（通常透過它的一個子介面間接實作Collection）應該提供 兩個「標準」建構方法: 一個是void（無參數）建構方法，用於建立空collection；另一個是帶有Collection 類型單參數的建構方法，用於建立一個具有與其參數相同元素新的collection。 實際上，後者允許使用者複製任何 collection，以產生所需實作類型的一個等效 collection。儘管無法強制執行此約定（因為介面不能包含建構方法），但是 Java 平台庫中所有通用的 Collection 實作都遵從它。
此介面中包含的「破壞性」方法，是指可修改其所操作的collection 的那些方法，如果此collection 不支援該操作，則指定這些方法拋出UnsupportedOperationException(可選操作)。
Collections Framework 介面中的許多方法是根據 equals 方法定義的。
Collections Framework 中的各個容器皆是非執行緒安全的。
Collection 介面的定義如下：
public interface Collection<E> extends Iterable<E> { ... } 
Object
# 繼承而來的方法) ,因此它們也刻畫了Set 或List 執行的所有行為(List 還有額外的功能)。 Collection 的行為分類與詳細清單如下 ：
##| Function | Introduction | #Note |
|---|---|---|
| boolean add(T) | 將指定元素新增至集合中，若未將該元素新增至容器，則傳回false | #可選作業 |
boolean addAll(Collection extends T>) |
新增參數中的所有元素，只要加入任意元素則傳回true | ##可選運算|
| 遍歷容器中的元素（統一的存取、遍歷方法，對外屏蔽了不同容器的差異性， | 迭代器模式） | 依賴於具體實作|
| 向容器移除指定元素，若移除動作發生，則傳回true（ | 若有重複對象，一次只刪除其中一個） | #可選操作|
Collection>)
| 向容器移除參數中所有元素，若有移除動作發生，則傳回true##可選運算 | |
) |
可選操作 | |
| ()#移除容器中所有元素 | 可選操作 | |
| 若容器持有該元素，則傳回true | 依賴equals() | |
) |
則依賴equals() | |
注意到，其中不包含随机访问所选择的元素 get() 方法，因为 Collection 包含 Set，而 Set 是自己维护顺序的。因此，若想访问、遍历 Collection 中的元素，则必须使用迭代器; 另外，这些方法的默认实现（AbstractCollection）均直接或间接使用了迭代器。
三、Collection 接口的默认实现：AbstractCollection
1、JDK 对 AbstractCollection 抽象类的描述
此抽象类提供 Collection 接口的骨干实现，以最大限度地减少实现此接口所需的工作。 要实现一个不可修改的 collection，编程人员只需扩展此类，并提供 iterator 和 size 方法的实现。（iterator 方法返回的迭代器必须实现 hasNext 和 next。）; 要实现可修改的 collection，编程人员必须另外重写此类的 add 方法（否则，会抛出 UnsupportedOperationException），iterator 方法返回的迭代器还必须另外实现其 remove 方法（AbstractCollection 的移除方法间接调用迭代器的移除方法）。按照 Collection 接口规范中的建议，编程人员通常应提供一个 void （无参数）和 Collection 构造方法。
AbstractCollection 抽象类定义如下：
public abstract class AbstractCollection<E> implements Collection<E> { ... }2、行为(对上述 Collection 接口中方法的实现情况)
下面给出了抽象类 AbstractCollection 对 Collection 接口的实现情况：
public boolean add(E e) {
throw new UnsupportedOperationException();
}
public boolean addAll(Collection<? extends E> c) {
boolean modified = false;
Iterator<? extends E> e = c.iterator();
while (e.hasNext()) {
if (add(e.next()))
// 调用了上面定义的 add 方法
modified = true;
} return modified;
} public abstract Iterator<E> iterator();
//未提供具体实现，将实现延迟到具体容器
public boolean remove(Object o) {
Iterator<E> e = iterator();
if (o==null) {
while (e.hasNext()) {
if (e.next()==null) {
e.remove();
//内部使用了迭代器的 remove 方法，故具体容器的迭代器实现密切相关
return true;
}
}
} else {
while (e.hasNext()) {
if (o.equals(e.next())) {
e.remove();
return true;
}
}
} return false;
} public boolean removeAll(Collection<?> c) {
boolean modified = false;
Iterator<?> e = iterator();
while (e.hasNext()) {
if (c.contains(e.next())) {
e.remove();
//内部使用了迭代器的 remove 方法，故具体容器的迭代器实现密切相关
modified = true;
}
} return modified;
} public boolean retainAll(Collection<?> c) {
boolean modified = false;
Iterator<E> e = iterator();
while (e.hasNext()) {
if (!c.contains(e.next())) {
e.remove();
//内部使用了迭代器的 remove 方法，故具体容器的迭代器实现密切相关
modified = true;
}
} return modified;
} public void clear() {
Iterator<E> e = iterator();
while (e.hasNext()) {
e.next();
e.remove();
//内部使用了迭代器的 remove 方法，故具体容器的迭代器实现密切相关
}
} public boolean contains(Object o) {
Iterator<E> e = iterator();
if (o==null) {
while (e.hasNext())
if (e.next()==null)
return true;
} else { while (e.hasNext())
if (o.equals(e.next()))
//内部调用了的 equals方法，故与 equals 方法实现密切相关
return true;
} return false;
} public boolean containsAll(Collection<?> c) {
Iterator<?> e = c.iterator();
while (e.hasNext())
if (!contains(e.next()))
//内部调用了的 contains 方法，故与 contains 方法实现密切相关
return false; return true;
} //此处省略两个 toArray 方法的实现
public abstract int size();
//未提供具体实现，将实现延迟到具体容器
public boolean isEmpty() { return size() == 0;
//内部调用了的 size 方法，故与 size 方法实现密切相关
}对以上实现进行总结 ：
【增】：add, addAll 两个方法的实现是可选的，此处均默认 UnsupportedOperationException ；
【查】：iterator 未提供具体实现，将实现延迟到具体容器,其对外屏蔽了不同容器的差异性，以统一的方式对容器访问、遍历 ；
【删】：remove(Object)，
removeAll(Collection>)，retainAll(Collection>)和 clear() 四个方法的实现均直接调用了具体容器的迭代器(由 iterator() 方法返回)的 remove 方法 ；【查】：contains(Object o) 和
containsAll(Collection> c)两个方法的实现均直接或间接调用了元素的 equals 方法 ；【基本方法】：size 方法实现与具体容器相关， isEmpty 方法的实现均直接调用了 size 方法 ；
【容器与数组转换】：分别提供与泛型 toArray 方法 和 原生 toArray 方法；
从源代码中我们可以知道，几乎所有方法的实现都与迭代器相关，并且有以下特点：
执行各种不同的添加和移除方法在 Collection 接口中都是可选操作，因为他们会改变容器的结构;
Collection 接口中的读取方法都不是可选操作 ；
四、Optional operations(可选操作)
1、简述
执行各种不同的添加和移除方法在 Collection 接口中都是可选操作, 这意味着实现类并不需要为这些方法提供功能定义。
这是一种很不寻常的接口定义方式。正如你所看到的那样，接口是面向对象设计中的契约，它声明 “无论你选择如何实现该接口，我保证你可以向该接口发送这些消息。”但可选操作违反这个非常基本的原则，它声明调用某些方法将不会执行有意义的行为，相反，他们会抛出异常。
为什么会将方法定义为可选呢？ 因为这样做可以防止在设计中出现接口爆炸的情形。容器类库中的设计看起来总是为了描述每个主题的变体，而最终患上了令人困惑的接口过剩症。甚至这么做仍不能捕获接口的各种特例，因为总是有人会发明新的接口。“未获支持的操作” 这种方式可以实现 Java 容器类库的一个重要目标：容器应易学易用。未获支持的操作是一种特例，可以延迟到需要时实现。但是，为了让这种方式能够工作：
UnsupportedOperationException 必须是一种罕见事件。即，对于大多数类而言，所有操作都应该可以工作，只有在特例(例如，通过Arrays.asList()所得到的容器)中才会有未获支持的操作。在 Java 容器类库中确实如此，因为你在 99% 的时间里使用的容器类，如 ArrayList、LinkedList、HashSet 和 HashMap,以及其他的具体实现，都支持所有操作。这种设计留下了一个“后门”，如果你想创建新的 Collection， 但是没有为 Collection 接口中的所有方法都提供有意义的定义，那么它仍旧适合现有类库。
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如果一个操作是未获支持的，那么在实现接口的时候可能就会导致 UnsupportedOperationException 异常，而不是将产品程序交给客户后才出现此异常，这种情况是有道理的。毕竟，他表示编程上有错误：使用了不正确的接口实现。
值得注意的是，未获支持操作只有在运行时才能探测到，因此他们表示动态类型检查。
2、示例
最常见的未获支持的操作，都来源于背后由固定尺寸的数据结构支持的容器。当你用 Arrays.asList() 将数组转换为 List 时，就会得到这样的容器。此外，你还可以通过使用 Collection 类中“不可修改”的方法，选择创建任何会抛出会抛出 UnsupportedOperationException 的容器。
请看下面的例子：
public class Unsupported {
static void test(String msg, List<String> list) {
System.out.println("--- " + msg + " ---");
Collection<String> c = list;
Collection<String> subList = list.subList(1, 8);
// Copy of the sublist:
Collection<String> c2 = new ArrayList<String>(subList);
try {
c.retainAll(c2);
} catch (Exception e) {
System.out.println("retainAll(): " + e);
} try {
c.removeAll(c2);
} catch (Exception e) {
System.out.println("removeAll(): " + e);
} try {
c.clear();
} catch (Exception e) {
System.out.println("clear(): " + e);
} try {
c.add("X");
} catch (Exception e) {
System.out.println("add(): " + e);
} try {
c.addAll(c2);
} catch (Exception e) {
System.out.println("addAll(): " + e);
} try {
c.remove("C");
} catch (Exception e) {
System.out.println("remove(): " + e);
} // The List.set() method modifies the value but
// doesn’t change the size of the data structure:
try {
list.set(0, "X");
} catch (Exception e) {
System.out.println("List.set(): " + e);
}
} public static void main(String[] args) {
List<String> list = Arrays.asList("A B C D E F G H I J K L".split(" "));
test("Modifiable Copy", new ArrayList<String>(list)); // 产生新的尺寸可调的
// ArrayList
test("Arrays.asList()", list); // 产生固定尺寸的 ArrayList
test("unmodifiableList()",
Collections.unmodifiableList(new ArrayList<String>(list))); // 产生不可修改的列表
}
} /* Output:
--- Modifiable Copy ---
--- Arrays.asList() ---
retainAll(): java.lang.UnsupportedOperationException
removeAll(): java.lang.UnsupportedOperationException
clear(): java.lang.UnsupportedOperationException
add(): java.lang.UnsupportedOperationException
addAll(): java.lang.UnsupportedOperationException
remove(): java.lang.UnsupportedOperationException
--- unmodifiableList() ---
retainAll(): java.lang.UnsupportedOperationException
removeAll(): java.lang.UnsupportedOperationException
clear(): java.lang.UnsupportedOperationException
add(): java.lang.UnsupportedOperationException
addAll(): java.lang.UnsupportedOperationException
remove(): java.lang.UnsupportedOperationException
List.set(): java.lang.UnsupportedOperationException因为 Arrays.asList() 实际上会产生一个 Arraylist ,它基于一个固定大小的数组，仅支持那些不会改变数组大小的操作。所以，任何会引起对底层数据结构的尺寸进行修改的方法(add/remove 相关)都会产生一个 UnsupportedOperationException 异常，以表示对该容器未获支持操作的调用。
因此，Arrays.asList() 的真正意义在于：将其结果作为构造器参数传递给任何 Collection （或者使用 addAll 方法、Collections.addAll 静态方法），这样可以生成一个动态的容器。
由以上程序片段可知， Arrays.asList() 返回固定尺寸的List，而 Collections.unmodifiableList() 产生不可修改的列表。正如输出所示，前者支持 set 操作，而后者不支持。若使用接口，那么还需要两个附加的接口，一个具有可以工作的 set 方法，另一个没有，因为附加的接口对于 Collection 的各种不可修改子类型来说是必须的。因此，可选方法可以避免 接口爆炸。
针对 Arrays.asList() 这种情况给出解释：
1.首先该方法的源码为：
public static <T> List<T> asList(T... a) { return new ArrayList<T>(a);
}2.紧接着看上述方法所返回的由固定尺寸的数据结构支持的容器源码（部分）：
private static class ArrayList<E> extends AbstractList<E>
implements RandomAccess, java.io.Serializable
{
private static final long serialVersionUID = -2764017481108945198L;
private final E[] a;
ArrayList(E[] array) {
if (array==null)
throw new NullPointerException();
a = array;
} public int size() {
return a.length;
} public Object[] toArray() {
return a.clone();
} public <T> T[] toArray(T[] a) {
int size = size();
if (a.length < size)
return Arrays.copyOf(this.a, size,
(Class<? extends T[]>) a.getClass());
System.arraycopy(this.a, 0, a, 0, size);
if (a.length > size)
a[size] = null;
return a;
} public E get(int index) {
return a[index];
} public E set(int index, E element) {
//该容器支持的操作
E oldValue = a[index];
a[index] = element;
return oldValue;
} public int indexOf(Object o) {
if (o==null) {
for (int i=0; i<a.length; i++)
if (a[i]==null)
return i;
} else {
for (int i=0; i<a.length; i++)
if (o.equals(a[i]))
return i;
}
return -1;
}
public boolean contains(Object o)
{
return indexOf(o) != -1;
}
}
....
其余代码省略
....针对 Add 操作： 该容器的该行为继承于 AbstractList 抽象类，直接或间接调用 add(int index, E element) 方法，抛出 UnsupportedOperationException
// AbstractList 中的方法public boolean add(E e) {
add(size(), e); return true;
}public void add(int index, E element) { throw new UnsupportedOperationException();
}public boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c) { boolean modified = false;
Iterator<? extends E> e = c.iterator(); while (e.hasNext()) {
add(index++, e.next());
modified = true;
} return modified;
}针对 remove 操作： 该容器的 remove 相关行为间接继承自 AbstractCollection 类, AbstractList 类并未完全重写（只重写了 clear 操作）它们，如下：
//AbstractList 类中方法：
//该方法继承自 List 接口的：remove(int index) 方法，是 List 特有的方法
public E remove(int index) { throw new UnsupportedOperationException();
} //AbstractList 类重写了 AbstractCollection 的 clear 方法
public void clear() {
removeRange(0, size());
} protected void removeRange(int fromIndex, int toIndex) {
ListIterator<E> it = listIterator(fromIndex); for (int i=0, n=toIndex-fromIndex; i<n; i++) {
it.next();
it.remove(); //直接调用了具体容器的迭代器(由 iterator() 方法返回)的 remove 方法
}
} AbstractList 类未重写 remove(Object)，removeAll(Collection>) ，retainAll(Collection>) ，这些方法实际上继承自 AbstractCollection 类：
//AbstractCollection 类中方法：
public boolean remove(Object o) {
Iterator<E> e = iterator(); if (o==null) { while (e.hasNext()) { if (e.next()==null) {
e.remove(); return true;
}
}
} else { while (e.hasNext()) { if (o.equals(e.next())) {
e.remove(); //直接调用了具体容器的迭代器(由 iterator() 方法返回)的 remove 方法
return true;
}
}
} return false;
}public boolean removeAll(Collection<?> c) { boolean modified = false;
Iterator<?> e = iterator(); while (e.hasNext()) { if (c.contains(e.next())) {
e.remove(); //直接调用了具体容器的迭代器(由 iterator() 方法返回)的 remove 方法
modified = true;
}
} return modified;
} public boolean retainAll(Collection<?> c) { boolean modified = false;
Iterator<E> e = iterator(); while (e.hasNext()) { if (!c.contains(e.next())) {
e.remove(); //直接调用了具体容器的迭代器(由 iterator() 方法返回)的 remove 方法
modified = true;
}
} return modified;
} 由上面两段代码可知，remove(Object)，removeAll(Collection>) ，retainAll(Collection>) 和 clear() 这四种操作均直接调用了具体容器的迭代器(由 iterator() 方法返回)的 remove 方法 ,我们再看 AbstractList 类提供的 Iterator 中的 remove 方法：
private class Itr implements Iterator<E> {
/**
* Index of element to be returned by subsequent call to next.
*/
int cursor = 0; /**
* Index of element returned by most recent call to next or
* previous. Reset to -1 if this element is deleted by a call
* to remove.
*/
int lastRet = -1; /**
* The modCount value that the iterator believes that the backing
* List should have. If this expectation is violated, the iterator
* has detected concurrent modification.
*/
int expectedModCount = modCount;
public boolean hasNext()
{
return cursor != size();
} public E next()
{
checkForComodification();
try {
E next = get(cursor);
lastRet = cursor++;
return next;
}
catch (IndexOutOfBoundsException e)
{
checkForComodification();
throw new NoSuchElementException();
}
} public void remove() {
if (lastRet == -1)
throw new IllegalStateException();
checkForComodification();
try {
AbstractList.this.remove(lastRet);
//直接调用 AbstractList 容器的 remove(int index) 方法，抛出 UnsupportedOperationException
if (lastRet < cursor)
cursor--;
lastRet = -1;
expectedModCount = modCount;
} catch (IndexOutOfBoundsException e) {
throw new ConcurrentModificationException();
}
} final void checkForComodification() {
if (modCount != expectedModCount)
throw new ConcurrentModificationException();
}
}综上可知，示例中的 Arrays.asList() 部分为何会导致那样的结果。
以上是Java Collection Framework -Collection介面的具體詳解的詳細內容。更多資訊請關注PHP中文網其他相關文章！