Java集合構(gòu)架研究之一

2019-11-18 14:28:48

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供稿：網(wǎng)友

　　摘要:

　　本文論述了java容器類庫的產(chǎn)生、變化與發(fā)展，然而并沒有具體講解怎么使用這些類庫，試圖從其發(fā)展與變化的歷史中幫助Java學(xué)習(xí)者把握J(rèn)ava的容器類庫。另外在本篇最后會討論在即將發(fā)布的代號為Tiger的J2SE1.5中加入的新特性之一：泛型，它將使容器的功能更加強(qiáng)大。

　　一、集合論引述

　　集合論是現(xiàn)代數(shù)學(xué)中重要的基礎(chǔ)理論。它的概念和方法已經(jīng)滲透到代數(shù)、拓?fù)浜头治龅仍S多數(shù)學(xué)分支以及物理學(xué)和質(zhì)點(diǎn)力學(xué)等一些自然科學(xué)部門，為這些學(xué)科提供了奠基的方法，改變了這些學(xué)科的面貌。計(jì)算機(jī)科學(xué)作為一門現(xiàn)代科學(xué)因其與數(shù)學(xué)的緣源，自然其中的許多概念也來自數(shù)學(xué)，集合是其中之一。假如說集合論的產(chǎn)生給數(shù)學(xué)注入了新的生氣與活力，那么計(jì)算機(jī)科學(xué)中的集合概念給程序員的生活也注入了新的生氣與活力。

　　1、什么是集合

　　很難給集合下一個(gè)精確的定義，通常情況下，把具有相同性質(zhì)的一類東西，匯聚成一個(gè)整體，就可以稱為集合。比如，用Java編程的所有程序員，全體中國人等。通常集合有兩種表示法，一種是列舉法，比如集合A＝｛1,2,3,4｝，另一種是性質(zhì)描述法，比如集合B=｛X0<X<100且X屬于整數(shù)｝。集合論的奠基人康托爾在創(chuàng)建集合理論給出了許多公理和性質(zhì)，這都成為后來集合在其它領(lǐng)域應(yīng)用的基礎(chǔ)，本文并不是講述集合論的，所以假如你對集合論感愛好，可以參考相關(guān)書籍。

　　2、什么是集合框架

　　那么有了集合的概念，什么是集合框架呢？集合框架是為表示和操作集合而規(guī)定的一種統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)的體系結(jié)構(gòu)。任何集合框架都包含三大塊內(nèi)容：對外的接口、接口的實(shí)現(xiàn)和對集合運(yùn)算的算法。

　　接口：即表示集合的抽象數(shù)據(jù)類型。接口提供了讓我們對集合中所表示的內(nèi)容進(jìn)行單獨(dú)操作的可能。

　　實(shí)現(xiàn)：也就是集合框架中接口的具體實(shí)現(xiàn)。實(shí)際它們就是那些可復(fù)用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

　　算法：在一個(gè)實(shí)現(xiàn)了某個(gè)集合框架中的接口的對象身上完成某種有用的計(jì)算的方法，例如查找、排序等。這些算法通常是多態(tài)的，因?yàn)橄嗤姆椒梢栽谕粋€(gè)接口被多個(gè)類實(shí)現(xiàn)時(shí)有不同的表現(xiàn)。事實(shí)上，算法是可復(fù)用的函數(shù)。

　　假如你學(xué)過C++，那C++中的標(biāo)準(zhǔn)模版庫（STL）你應(yīng)該不生疏，它是眾所周知的集合框架的絕好例子。
　　3、集合框架對我們編程有何助益

　　到底集合框架對我們編程有什么好處呢？

　　它減少了程序設(shè)計(jì)的辛勞。集合框架通過提供有用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法使你能集中注重力于你的程序的重要部分上，而不是為了讓程序能正常運(yùn)轉(zhuǎn)而將注重力于低層設(shè)計(jì)上。通過這些在無關(guān)API之間的簡易的互用性，使你免除了為改編對象或轉(zhuǎn)換代碼以便聯(lián)合這些API而去寫大量的代碼。

　　它提高了程序速度和質(zhì)量。集合框架通過提供對有用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法的高性能和高質(zhì)量的實(shí)現(xiàn)使你的程序速度和質(zhì)量得到提高。因?yàn)槊總€(gè)接口的實(shí)現(xiàn)是可互換的，所以你的程序可以很輕易的通過改變一個(gè)實(shí)現(xiàn)而進(jìn)行調(diào)整。另外，你將可以從寫你自己的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的苦差事中解脫出來，從而有更多時(shí)間關(guān)注于程序其它部分的質(zhì)量和性能。

　　減少去學(xué)習(xí)和使用新的API 的辛勞。許多API天生的有對集合的存儲和獲取。在過去，這樣的API都有一些子API幫助操縱它的集合內(nèi)容，因此在那些非凡的子API之間就會缺乏一致性，你也不得不從零開始學(xué)習(xí)，并且在使用時(shí)也很輕易犯錯。而標(biāo)準(zhǔn)集合框架接口的出現(xiàn)使這個(gè)問題迎刃而解。

　　減少了設(shè)計(jì)新API的努力。設(shè)計(jì)者和實(shí)現(xiàn)者不用再在每次創(chuàng)建一種依靠于集合內(nèi)容的API時(shí)重新設(shè)計(jì)，他們只要使用標(biāo)準(zhǔn)集合框架的接口即可。

　　集合框架鼓勵軟件的復(fù)用。對于遵照標(biāo)準(zhǔn)集合框架接口的新的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)天生即是可復(fù)用的。同樣對于操作一個(gè)實(shí)現(xiàn)了這些接口的對象的算法也是如此。

　　有了這些優(yōu)點(diǎn)，并通過合理的使用，它就會成為程序員的一種強(qiáng)大的工具。不過，從歷史上來看，集合大多其結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜，也就給它們一個(gè)造成極不合理的學(xué)習(xí)曲線的壞名聲。但是，希望Java2的集合框架能縮短你的學(xué)習(xí)曲線，從而快速把握它。

　　在許多高級語言中的數(shù)組其實(shí)也是集合的一種簡單實(shí)現(xiàn)，比如C,C++,Pascal和Java。

　　數(shù)組保存著相同類型的多個(gè)值，它的長度在數(shù)組被創(chuàng)建時(shí)就固定下來，建立之后就無法改變。假如你需要一種大小能動態(tài)改變的存儲結(jié)構(gòu)，數(shù)組就不適合了，這時(shí)集合框架就有了用武之地了。

　　二、Java1.2之前的容器類庫

　　其實(shí)在Java2之前，Java是沒有完整的集合框架的。它只有一些簡單的可以自擴(kuò)展的容器類，比如Vector，Stack，Hashtable等。Vector中包含的元素可以通過一個(gè)整型的索引值取得，它的大小可以在添加或移除元素時(shí)自動增加或縮小。然而，Vector的設(shè)計(jì)卻存在極多缺限（下面會說到）。Stack是一種后進(jìn)先出（LIFO）的堆棧序列，學(xué)過數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的都會知道，它的重要特點(diǎn)是先放入的東西最后才能被取出。Hashtable與Java2中的Map類似，可以看成一種關(guān)聯(lián)或映射數(shù)組，可以將兩個(gè)或多個(gè)毫無關(guān)系的對象相關(guān)聯(lián)，與數(shù)組不同的是它的大小可以動態(tài)變化。

　　Vector的操作很簡單，通過addElement()加入一個(gè)對象，用elementAt()取出它，還可以查詢當(dāng)前所保存的對象的個(gè)數(shù)size();另外還有一個(gè)Enumeration類提供了連續(xù)操作Vector中元素的方法，這可以通過Vector中的elements()方法來獲取一個(gè)Enumeration類的對象，可以用一個(gè)While循環(huán)來遍歷其中的元素。用hasMoreElements()檢查其中是否還有更多的元素。用nextElement()獲得下一個(gè)元素。Enumeration的用意在于使你能完全不用理會你要遍歷的容器的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，只關(guān)注你的遍歷方法，這也就使得遍歷方法的重用成為可能。由于這種思想的強(qiáng)大功能，所以在Java2中被保留下來，不過具體實(shí)現(xiàn)，方法名和內(nèi)部算法都改變了，這就是Java2中的Iterator以及ListIterator類。然而Enumeration的功能卻十分有限，比如只能朝一個(gè)方向進(jìn)行，只能讀取而不能更改等。

　　另一個(gè)單元素容器是Stack，它最常用的操作便是壓入和彈出，最后壓入的元素最先被彈出。你可以想象一個(gè)只上面開口的書箱，最后放進(jìn)去的書一定是最先被拿到，而最先放進(jìn)去的只有在全部書拿出后才能取出，這種特性被稱為后進(jìn)先出（LIFO）。在Java中Stack的的用法也很簡單，有push()壓入一個(gè)元素，用pop()彈出一個(gè)元素。然而它的設(shè)計(jì)卻無法讓人理解，Stack繼續(xù)了Vector而不用Vector作為其中一個(gè)元素類型來實(shí)現(xiàn)其功能，這樣造成的結(jié)果是Stack也擁有Vector的行為，也就是說你可以把Stack當(dāng)作一個(gè)Vector來用，而這與Stack的用意毫無關(guān)系。這應(yīng)該算為Java1（1.0/1.1)中容器類庫設(shè)計(jì)者的一大失誤吧，還好，這些在Java2中都有了相當(dāng)大的改變觀。

　　Hashtable也是Java1中一個(gè)有用的容器類庫。它的基本目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)兩個(gè)或多個(gè)對象之間進(jìn)行關(guān)聯(lián)。舉一個(gè)現(xiàn)實(shí)生活中的例子，比如我們說美國白宮時(shí)，指的就是在美國華盛頓的總統(tǒng)辦公大樓，為什么一說到美國白宮，總統(tǒng)辦公大樓呢？這是我們?nèi)藶榈膶Α懊绹讓m”和總統(tǒng)辦公大樓進(jìn)行了關(guān)聯(lián)，本來“美國白宮”就是四個(gè)普通的文字，現(xiàn)在卻有了不同的含義。在Java中我們就可以用String定義一個(gè)內(nèi)容為“美國白宮”的對象變量，在定義一個(gè)總統(tǒng)大樓的對象變量，把它們進(jìn)行關(guān)聯(lián)，這就是Hashtable的用意。通過使用pub(Object key,Object value)方法把兩個(gè)對象進(jìn)行關(guān)聯(lián)，需要時(shí)用get(Object key)取得與key關(guān)聯(lián)的值對象。還可以查詢某個(gè)對象的索引值等等。值得說明的這里的get方法查找一個(gè)對象時(shí)與Vector中的get方法在內(nèi)部實(shí)現(xiàn)時(shí)有很大不同，在一個(gè)Hashtable中查找一個(gè)鍵對象要比在一個(gè)Vector中快的多。這是因?yàn)镠ashtable使用了一種哈希表的技術(shù)（在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中有具體講解），在Java每個(gè)對象缺省都有一個(gè)通過Object的hashCode()方法獲得的哈希碼，Hashtable就是利用這個(gè)哈希實(shí)現(xiàn)快速查找鍵對象的。

　　Java1容器類庫設(shè)計(jì)的另一個(gè)重大失誤是竟然沒有對容器進(jìn)行排序的工具。比如你想讓Vector容器中的對象按字典順序進(jìn)行排序，你就要自己實(shí)現(xiàn)。

　　雖然Java1中的容器類庫如此簡陋，卻也使Java程序員在當(dāng)時(shí)編程時(shí)省力不少，那些容器類也被大量用到，正所謂無可奈何，沒得選擇。

　　可能是Java在其成長過程一直被漂亮的光環(huán)籠照著，所以它的缺點(diǎn)也被人們忽略了，幸好，在Java2中容器類庫設(shè)計(jì)者對以前的拙劣設(shè)計(jì)進(jìn)行了大刀闊斧的整改，從而使Java變得更加完美。

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