Java util collections

Наборы данных Collection

В парадигме объектно-ориентированного программирования поддерживается концепция инкапсуляции данных внутри классов. Однако это не означает, что способы размещения данных играют менее важную роль. Конечно же, используемая структура данных зависит от решаемой задачи. Способ организации данных внутри класса имеет очень важное значение для реализации методов и достижения максимальной производительности.

Интерфейс Collection является фундаментальным интерфейсом для классов Java, поддерживающих наборы данных (коллекции), в котором объявлены следующие 2 основных метода :

Помимо них, интерфейс Collection имеет еще несколько методов, которые рассмотрены ниже.

Метод add() добавляет элемент к набору и возвращает либо значение true, если набор данных изменился, либо false в противном случае. Например, если попытаться добавить в множество уже существующий объект, то запрос add() будет проигнорирован, поскольку по определению множество не может содержать дублирующие объекты.

Метод iterator() возвращает объект-итератор, реализующий интерфейс Iterator, который используется для последовательного обращения к элементам набора данных.

Интерфейс Iterator

В интерфейсе Iterator определены следующие три основных метода:

Реализация интерфейса Iterator предполагает, что с помощью вызова метода next() можно получить следующий элемент. С помощью метода hasNext() можно узнать, есть ли следующий элемент, и не достигнут ли конец коллекции. И если элементы еще имеются, то hasNext() вернет значение true. Метод hasNext() следует вызывать перед методом next(), так как при достижении конца коллекции метод next() выбрасывает исключение NoSuchElementException. И метод remove() удаляет текущий элемент, который был получен последним вызовом next().

Пример с Iterator для перебора коллекции, метод hasNext

Цикл for each

Начиная с JDK 5.0 можно сократить запись цикла, используя выражение «for each»

Компилятор преобразует цикл «for each» в обычный цикл с итератором. Цикл «for each» работает с любым объектом, реализующим интерфейс Iterable, в котором объявлен единственный метод

Интерфейс Collection расширяет интерфейс Iterable. Поэтому цикл «for each» можно использовать для любого набора данных из стандартной библиотеки.

Порядок следования элементов в итераторе

Порядок перебора элементов коллекции зависит от типа и набора элементов. Если используется объект ArrayList, то итератор начинает с индекса 0 и увеличивает индекс на 1 на каждом шаге. Если объект имеет тип HashSet, то порядок следования элементов коллекции может оказаться случайным.

При использовании итератора Iterator, можно быть уверенным, что он переберет все элементы, но строить предположения о порядке, в котором элементы будут извлекаться, по меньшей мере рискованно. В большинстве случаев порядок следования элементов не имеет никакого значения.

Удаление элементов итератором

Метод remove() интерфейса Iterable удаляет элемент, возвращенный в результате последнего вызова метода next(). В большистве случаев это правильно, т.к. необходимо проверить элемент перед принятием решения об его удалении. Пример удаления первого элемента набора строк с использованием итератора :

Необходимо помнить, что перед вызовом next() и удалением remove() существует строгая взаимосвязь. Нельзя вызывать метод remove(), если ему не предшествовал вызов метода next(). При попытке сделать это будет сгенерировано исключение IllegalStateException.

При необходимости удаления двух соседних элементов нельзя дважды подряд вызвать метод remove().

Нужно сначала вызвать метод next(), чтобы итератор (указатель) встал на элемент, подлежащий удалению.

Универсальные вспомогательные методы, contains

Интерфейсы Collection и Iterable являются универсальными, поэтому для них можно создавать универсальные методы, работающие для любых наборов данных. Пример универсального метода contains, проверяющего наличие элемента obj в наборе данных :

Разработчики библиотеки Java добавили ряд полезных методов в интерфейс Collection, которые должны поддерживаться во всех реализующих его классах:

• int size ()
• boolean isEmpty ()
• boolean contains (Object obj)
• boolean containsAll (Collection c)
• boolean equals (Object obj)
• boolean addAll (Collection from)
• boolean remove (Object obj)
• boolean removeAll (Collection c)
• void clear ()
• boolean retainAll (Collection c)
• Object[] toArray ()
• T[] toArray (T[] arrayToFill)

Применение каждым классом, реализующим интерфейс Collection, такого количества стандартных методов было бы слишком обременительным. Чтобы упростить процесс их реализации, в классе AbstractCollection оставлены абстрактными только фундаментальные методы (такие, как size() и iterator()), а на их основе реализованы все остальные стандартные методы.

Теперь конкретный класс, представляющий набор данных, может расширить класс AbstractCollection за счет реализации метода iterator(), а метод contains() уже реализован в родительском классе AbstractCollection. Однако, если дочерний класс содержит более эффективный вариант реализации метода contains(), то его можно использовать вместо варианта родительского класса.

Методы интерфейса java.util.Collection

Методы итератора java.util.Iterator

Интерфейс ListIterator

Интерфейс Iterator предоставляет ограниченный функционал. Гораздо больший набор методов предоставляет другой итератор — интерфейс ListIterator. Данный итератор используется классами, реализующими интерфейс List, то есть классами LinkedList, ArrayList и др.

Интерфейс ListIterator расширяет интерфейс Iterator и определяет ряд дополнительных методов:

Пример использования итератора ListIterator

Иерархия наборов данных интерфейса Collection

На рисунке представлена иерархия наборов классов, реализующих интерфейс Collection:

Список наборов данных

В таблице представлен список наборов данных. Все классы с именами, оканчивающимися на Map реализуют интерфейс Map, остальные интерфейс Collection.

Справочник по Java Collections Framework

Данная публикация не является полным разбором или анализом (не покрывает пакет java.util.concurrent ). Это, скорее, справочник, который поможет начинающим разработчикам понять ключевые отличия одних коллекций от других, а более опытным разработчикам просто освежить материал в памяти.

Что такое Java Collections Framework?

Java Collection Framework — иерархия интерфейсов и их реализаций, которая является частью JDK и позволяет разработчику пользоваться большим количесвом структур данных из «коробки».

Базовые понятия

На вершине иерархии в Java Collection Framework располагаются 2 интерфейса: Collection и Map . Эти интерфейсы разделяют все коллекции, входящие во фреймворк на две части по типу хранения данных: простые последовательные наборы элементов и наборы пар «ключ — значение» (словари).

Collection — этот интерфейс находится в составе JDK c версии 1.2 и определяет основные методы работы с простыми наборами элементов, которые будут общими для всех его реализаций (например size() , isEmpty() , add(E e) и др.). Интерфейс был слегка доработан с приходом дженериков в Java 1.5. Так же в версии Java 8 было добавлено несколько новых метода для работы с лямбдами (такие как stream() , parallelStream() , removeIf(Predicate filter) и др.).

Важно также отметить, что эти медоды были реализованы непосредственно в интерфейсе как default -медоды.

Map. Данный интерфейс также находится в составе JDK c версии 1.2 и предоставляет разработчику базовые методы для работы с данными вида «ключ — значение».Также как и Collection , он был дополнен дженериками в версии Java 1.5 и в версии Java 8 появились дополнительные методы для работы с лямбдами, а также методы, которые зачастую реализовались в логике приложения ( getOrDefault(Object key, V defaultValue) , putIfAbsent(K key, V value) ).

Интерфейс Map [doc]

Hashtable — реализация такой структуры данных, как хэш-таблица. Она не позволяет использовать null в качестве значения или ключа. Эта коллекция была реализована раньше, чем Java Collection Framework, но в последствии была включена в его состав. Как и другие коллекции из Java 1.0, Hashtable является синхронизированной (почти все методы помечены как synchronized ). Из-за этой особенности у неё имеются существенные проблемы с производительностью и, начиная с Java 1.2, в большинстве случаев рекомендуется использовать другие реализации интерфейса Map ввиду отсутствия у них синхронизации.

HashMap — коллекция является альтернативой Hashtable . Двумя основными отличиями от Hashtable являются то, что HashMap не синхронизирована и HashMap позволяет использовать null как в качестве ключа, так и значения. Так же как и Hashtable , данная коллекция не является упорядоченной: порядок хранения элементов зависит от хэш-функции. Добавление элемента выполняется за константное время O(1), но время удаления, получения зависит от распределения хэш-функции. В идеале является константным, но может быть и линейным O(n). Более подробную информацию о HashMap можно почитать здесь (актуально для Java HashMap , порядок итерирования равен порядку добавления элементов. Данная особенность достигается благодаря двунаправленным связям между элементами (аналогично LinkedList ). Но это преимущество имеет также и недостаток — увеличение памяти, которое занимет коллекция. Более подробная информация изложена в этой статье.

TreeMap — реализация Map основанная на красно-чёрных деревьях. Как и LinkedHashMap является упорядоченной. По-умолчанию, коллекция сортируется по ключам с использованием принципа «natural ordering», но это поведение может быть настроено под конкретную задачу при помощи объекта Comparator , которые указывается в качестве параметра при создании объекта TreeMap .

WeakHashMap — реализация хэш-таблицы, которая организована с использованием weak references. Другими словами, Garbage Collector автоматически удалит элемент из коллекции при следующей сборке мусора, если на ключ этого элеметна нет жёстких ссылок.

Интерфейс List [doc]

Реализации этого интерфейса представляют собой упорядоченные коллекции. Кроме того, разработчику предоставляется возможность доступа к элементам коллекции по индексу и по значению (так как реализации позволяют хранить дубликаты, результатом поиска по значению будет первое найденное вхождение).

Vector — реализация динамического массива объектов. Позволяет хранить любые данные, включая null в качестве элемента. Vector появился в JDK версии Java 1.0, но как и Hashtable , эту коллекцию не рекомендуется использовать, если не требуется достижения потокобезопасности. Потому как в Vector , в отличии от других реализаций List , все операции с данными являются синхронизированными. В качестве альтернативы часто применяется аналог — ArrayList .

Stack — данная коллекция является расширением коллекции Vector . Была добавлена в Java 1.0 как реализация стека LIFO (last-in-first-out). Является частично синхронизированной коллекцией (кроме метода добавления push() ). После добавления в Java 1.6 интерфейса Deque , рекомендуется использовать именно реализации этого интерфейса, например ArrayDeque .

ArrayList — как и Vector является реализацией динамического массива объектов. Позволяет хранить любые данные, включая null в качестве элемента. Как можно догадаться из названия, его реализация основана на обычном массиве. Данную реализацию следует применять, если в процессе работы с коллекцией предплагается частое обращение к элементам по индексу. Из-за особенностей реализации поиндексное обращение к элементам выполняется за константное время O(1). Но данную коллекцию рекомендуется избегать, если требуется частое удаление/добавление элементов в середину коллекции. Подробный анализ и описание можно почитать в этом хабратопике.

LinkedList — ещё одина реализация List . Позволяет хранить любые данные, включая null . Особенностью реализации данной коллекции является то, что в её основе лежит двунаправленный связный список (каждый элемент имеет ссылку на предыдущий и следующий). Благодаря этому, добавление и удаление из середины, доступ по индексу, значению происходит за линейное время O(n), а из начала и конца за константное O(1). Так же, ввиду реализации, данную коллекцию можно использовать как стек или очередь. Для этого в ней реализованы соответсвующие методы. На Хабре также есть статья с подробным анализом и описанием этой коллекции.

Интерфейс Set [doc]

Представляет собой неупорядоченную коллекцию, которая не может содержать дублирующиеся данные. Является программной моделью математического понятия «множество».

HashSet — реализация интерфейса Set , базирующаяся на HashMap . Внутри использует объект HashMap для хранения данных. В качестве ключа используется добавляемый элемент, а в качестве значения — объект-пустышка (new Object()). Из-за особенностей реализации порядок элементов не гарантируется при добавлении.

LinkedHashSet — отличается от HashSet только тем, что в основе лежит LinkedHashMap вместо HashSet . Благодаря этому отличию порядок элементов при обходе коллекции является идентичным порядку добавления элементов.

TreeSet — аналогично другим классам-реализациям интерфейса Set содержит в себе объект NavigableMap , что и обуславливает его поведение. Предоставляет возможность управлять порядком элементов в коллекции при помощи объекта Comparator , либо сохраняет элементы с использованием «natural ordering».

Интерфейс Queue [doc]

Этот интерфейс описывает коллекции с предопределённым способом вставки и извлечения элементов, а именно — очереди FIFO (first-in-first-out). Помимо методов, определённых в интерфейсе Collection, определяет дополнительные методы для извлечения и добавления элементов в очередь. Большинство реализаций данного интерфейса находится в пакете java.util.concurrent и подробно рассматриваются в данном обзоре.

PriorityQueue — является единственной прямой реализацией интерфейса Queue (была добавлена, как и интерфейс Queue, в Java 1.5), не считая класса LinkedList , который так же реализует этот интерфейс, но был реализован намного раньше. Особенностью данной очереди является возможность управления порядком элементов. По-умолчанию, элементы сортируются с использованием «natural ordering», но это поведение может быть переопределено при помощи объекта Comparator , который задаётся при создании очереди. Данная коллекция не поддерживает null в качестве элементов.

ArrayDeque — реализация интерфейса Deque, который расширяет интерфейс Queue методами, позволяющими реализовать конструкцию вида LIFO (last-in-first-out). Интерфейс Deque и реализация ArrayDeque были добавлены в Java 1.6. Эта коллекция представляет собой реализацию с использованием массивов, подобно ArrayList , но не позволяет обращаться к элементам по индексу и хранение null . Как заявлено в документации, коллекция работает быстрее чем Stack , если используется как LIFO коллекция, а также быстрее чем LinkedList, если используется как FIFO.

Заключение

Java Collections Framework содержит большое количество различных структур данных, доступных в JDK «из коробки», которые в большинстве случаев покрывают все потребности при реализации логики приложения. Сравнение временных характеристик основных коллекций, которые зачастую используются в разработке приложений приведено в таблице:

При необходимости, разработчик может создать собственную реализацию, расширив или переопределив существующую логику, либо создав свою собственную реализацию подходящего интерфейса с нуля. Также существует некоторое количество готовых решений, которые являются альтернативой или дополнением к Java Collections Framework. Наиболее популярными являются Google Guava и Commons Collections.

Коллекции

Типы коллекций. Интерфейс Collection

Для хранения наборов данных в Java предназначены массивы. Однако их не всегда удобно использовать, прежде всего потому, что они имеют фиксированную длину. Эту проблему в Java решают коллекции. Однако суть не только в гибких по размеру наборах объектов, но в и том, что классы коллекций реализуют различные алгоритмы и структуры данных, например, такие как стек, очередь, дерево и ряд других.

Классы коллекций располагаются в пакете java.util , поэтому перед применением коллекций следует подключить данный пакет.

Хотя в Java существует множество коллекций, но все они образуют стройную и логичную систему. Во-первых, в основе всех коллекций лежит применение того или иного интерфейса, который определяет базовый функционал. Среди этих интерфейсов можно выделить следующие:

Collection : базовый интерфейс для всех коллекций и других интерфейсов коллекций

Queue : наследует интерфейс Collection и представляет функционал для структур данных в виде очереди

Deque : наследует интерфейс Queue и представляет функционал для двунаправленных очередей

List : наследует интерфейс Collection и представляет функциональность простых списков

Set : также расширяет интерфейс Collection и используется для хранения множеств уникальных объектов

SortedSet : расширяет интерфейс Set для создания сортированных коллекций

NavigableSet : расширяет интерфейс SortedSet для создания коллекций, в которых можно осуществлять поиск по соответствию

Map : предназначен для созданий структур данных в виде словаря, где каждый элемент имеет определенный ключ и значение. В отличие от других интерфейсов коллекций не наследуется от интерфейса Collection

Эти интерфейсы частично реализуются абстрактными классами:

AbstractCollection : базовый абстрактный класс для других коллекций, который применяет интерфейс Collection

AbstractList : расширяет класс AbstractCollection и применяет интерфейс List, предназначен для создания коллекций в виде списков

AbstractSet : расширяет класс AbstractCollection и применяет интерфейс Set для создания коллекций в виде множеств

AbstractQueue : расширяет класс AbstractCollection и применяет интерфейс Queue, предназначен для создания коллекций в виде очередей и стеков

AbstractSequentialList : также расширяет класс AbstractList и реализует интерфейс List. Используется для создания связанных списков

AbstractMap : применяет интерфейс Map, предназначен для создания наборов по типу словаря с объектами в виде пары «ключ-значение»

С помощью применения вышеописанных интерфейсов и абстрактных классов в Java реализуется широкая палитра классов коллекций — списки, множества, очереди, отображения и другие, среди которых можно выделить следующие:

ArrayList : простой список объектов

LinkedList : представляет связанный список

ArrayDeque : класс двунаправленной очереди, в которой мы можем произвести вставку и удаление как в начале коллекции, так и в ее конце

HashSet : набор объектов или хеш-множество, где каждый элемент имеет ключ — уникальный хеш-код

TreeSet : набор отсортированных объектов в виде дерева

LinkedHashSet : связанное хеш-множество

PriorityQueue : очередь приоритетов

HashMap : структура данных в виде словаря, в котором каждый объект имеет уникальный ключ и некоторое значение

TreeMap : структура данных в виде дерева, где каждый элемент имеет уникальный ключ и некоторое значение

Схематично всю систему коллекций вкратце можно представить следующим образом:

Интерфейс Collection

Интерфейс Collection является базовым для всех коллекций, определяя основной функционал:

Интерфейс Collection является обобщенным и расширяет интерфейс Iterable, поэтому все объекты коллекций можно перебирать в цикле по типу for-each .

Среди методов интерфейса Collection можно выделить следующие:

boolean add (E item) : добавляет в коллекцию объект item. При удачном добавлении возвращает true, при неудачном — false

boolean addAll (Collection col) : добавляет в коллекцию все элементы из коллекции col. При удачном добавлении возвращает true, при неудачном — false

void clear () : удаляет все элементы из коллекции

boolean contains (Object item) : возвращает true, если объект item содержится в коллекции, иначе возвращает false

boolean isEmpty () : возвращает true, если коллекция пуста, иначе возвращает false

Iterator iterator () : возвращает объект Iterator для обхода элементов коллекции

boolean remove (Object item) : возвращает true, если объект item удачно удален из коллекции, иначе возвращается false

boolean removeAll (Collection col) : удаляет все объекты коллекции col из текущей коллекции. Если текущая коллекция изменилась, возвращает true, иначе возвращается false

boolean retainAll (Collection col) : удаляет все объекты из текущей коллекции, кроме тех, которые содержатся в коллекции col. Если текущая коллекция после удаления изменилась, возвращает true, иначе возвращается false

int size () : возвращает число элементов в коллекции

Object[] toArray () : возвращает массив, содержащий все элементы коллекции

Все эти и остальные методы, которые имеются в интерфейсе Collection, реализуются всеми коллекциями, поэтому в целом общие принципы работы с коллекциями будут одни и те же. Единообразный интерфейс упрощает понимание и работу с различными типами коллекций. Так, добавление элемента будет производиться с помощью метода add , который принимает добавляемый элемент в качестве параметра. Для удаления вызывается метод remove() . Метод clear будет очищать коллекцию, а метод size возвращать количество элементов в коллекции.

Обзор коллекций в Java (Java Collections Framework)

Коллекции в Java

Java Коллекции являются одним из столпов Java Core. Они используются почти в каждом приложении, поэтому мы просто обязаны уметь использовать Java Collections Framework эффективно.

Что такое Коллекции?

Коллекции — это контейнеры, группы элементов, которые представляют собой единое целое.

Например: банка конфет, список имен и т.д. Коллекции используются почти в каждом языке программирования и Java не является исключением. Как только коллекции появились в Java, то насчитывали всего несколько классов: Vector, Stack, Hashtable, Array. Но уже в Java 1.2 появился полноценный Java Collections Framework, с которым мы и будем сегодня знакомиться.

Коллекции в Java состоят нескольких частей

• Интерфейсы: В коллекциях интерфейсы обеспечивают абстрактный тип данных для представления коллекции java.util.Collection — корневого интерфейса фреймворка. Он находится на вершине иерархии Коллекций. Он содержит наиболее важные методы: size() , iterator() , add() , remove() , clear() . Каждая коллекция должна реализовывать эти методы. Также есть другие важные интерфейсы java.util.List, java.util.Set, java.util.Queue и java.util.Map . Map является единственным интерфейсом, который не наследует интерфейс Collection , но является неотъемлемой частью коллекций. Все интерфейсы фреймворка находятся в пакете java.util .
• Реализация: Java предоставляет готовые классы с реализацией вышеупомянутых коллекций. Мы можем использовать их для создания новых типов коллекций в нашей программе. С помощью классов ArrayList, LinkedList, HashMap, TreeMap, HashSet, TreeSet можно решить огромное количество задач, но если нам нужна специальная реализация той или иной коллекции, мы можем наследовать её и работать со своей реализацией. В Java 1.5 придумали потокобезопасные коллекции, которые позволили изменять содержимое коллекции время итерации по элементам. Наиболее популярными являются: CopyOnWriteArrayList, ConcurrentHashMap, CopyOnWriteArraySet . Эти классы находятся в пакете java.util.concurrent . Все классы коллекций находятся в пакетах java.util и java.util.concurrent .
• Алгоритмы: алгоритмы — это полезны методы, которые решают тривиальные задачи, например: поиск, сортировка и перетасовка элементов коллекции.
• Ниже на диаграмме классов показана иерархия Java Collections Framework. Для простоты я включил только часто используемые интерфейсы и классы.

Преимущества Java Collections Framework

В Java Collections Framework есть следующие преимущества:

• Требует меньше усилий. Фреймворк располагает множеством распространенных типов коллекций и полезных методов для манипуляции данными. Таким образом, мы можем сосредоточиться на бизнес-логике, а не разработке наших API.
• Отличное качество — использование хорошо проверенных коллекций увеличивает качество нашей программы.
• Повторное использование и совместимость

Интерфейсы коллекций

Интерфейсы являются основой Java Collections Framework. Обратите внимание, что все интерфейсы являются Generic, например public interface Collection . Использование — это указание типа объекта, который коллекция может содержать. Это помогает сократить ошибки времени выполнения с помощью проверки типов объектов во время компиляции.

Следует отметить, что платформа Java не предоставляет отдельные интерфейсы для каждого типа коллекций. Если какая-то операция не поддерживается, то реализация коллекции бросает UnsupportedOperationException.

Кратко по каждой коллекции

Интерфейс итератора (Iterator)

Итератор предоставляет методы для перебора элементов любой коллекции. Мы можем получить экземпляр итератора из коллекции с помощью метода iterator . Итераторы позволяют удалить элементы из базовой коллекции во время выполнения итерации.

Интерфейс множества (Set)

Набор представляет собой коллекцию, которая не может содержать повторяющиеся элементы. Этот интерфейс представляет математическую абстракцию для представления множеств в виде колоды карт.

Платформа Java содержит три реализации Set : HashSet, TreeSet и LinkedHashSet.И нтерфейс Set не позволяет осуществлять произвольный доступ к элементу в коллекции. Мы можем использовать итератор или цикл по каждому элементу для перебора элементов.

Интерфейс Список (List)

Список представляет собой упорядоченный набор элементов и может содержать повторяющиеся элементы. Вы можете получить доступ к любому элементу по индексу. Список представляет собой динамический массив. Список является одним из наиболее используемых типов коллекций. ArrayList и LinkedList классы являются реализацией интерфейса List .