编程自学指南：java程序设计开发，Java Collections 工具类详解课件
一、课程信息
学习目标
- 理解 Collections 工具类的作用和重要性。
- 掌握 Collections 工具类中常用方法的使用，如排序、查找、填充等。
- 能够运用 Collections 工具类解决实际开发中的集合操作问题。
课程重点
- Collections 工具类中常用方法的功能和使用方式。
- 不同方法在不同集合类型上的应用。
课程难点
- 理解一些复杂方法的实现原理，如二分查找、排序算法的选择。
- 合理运用 Collections 工具类优化代码。
二、课程导入
生活中的工具类比
在生活中，我们会使用各种工具来提高工作效率。比如，使用螺丝刀来拧紧螺丝，使用锤子来钉钉子。在 Java 编程中，Collections 工具类就像是一个 “工具箱”，它为我们提供了一系列方便操作集合的方法，让我们可以更高效地处理集合数据。
编程中的实际需求
在实际开发中，我们经常需要对集合进行排序、查找、填充等操作。如果每次都手动实现这些功能，会非常繁琐且容易出错。Collections 工具类为我们提供了统一的、高效的解决方案，让我们可以专注于业务逻辑的实现。
示例代码引入
import java.util.ArrayList;
import java.util.Collections;
import java.util.List;
public class CollectionsIntroduction {
public static void main(String[] args) {
List<Integer> numbers = new ArrayList<>();
numbers.add(3);
numbers.add(1);
numbers.add(2);
// 使用 Collections 工具类对列表进行排序
Collections.sort(numbers);
System.out.println("Sorted numbers: " + numbers);
}
}
三、Collections 工具类概述
定义
Collections 是 Java 提供的一个工具类，位于 java.util 包下。它包含了一系列静态方法，用于操作各种集合（如 List、Set、Map 等），提供了排序、查找、填充、同步等功能。
特点
- 静态方法：
Collections类中的所有方法都是静态的，不需要创建Collections类的实例，可以直接通过类名调用。 - 通用性：这些方法可以应用于不同类型的集合，具有很强的通用性。
- 高效性：
Collections工具类中的方法经过了优化，性能较高。
常用方法分类
- 排序操作：如
sort()、reverse()、shuffle()等。 - 查找操作：如
binarySearch()、max()、min()等。 - 填充和替换操作：如
fill()、replaceAll()等。 - 同步操作：如
synchronizedList()、synchronizedSet()等。
四、排序操作
sort() 方法
功能
对列表进行排序，默认使用自然排序（元素必须实现 Comparable 接口）。也可以传入自定义的 Comparator 来指定排序规则。
示例代码
import java.util.ArrayList;
import java.util.Collections;
import java.util.List;
public class SortExample {
public static void main(String[] args) {
List<String> names = new ArrayList<>();
names.add("Alice");
names.add("Charlie");
names.add("Bob");
// 使用自然排序
Collections.sort(names);
System.out.println("Sorted names (natural order): " + names);
// 使用自定义比较器进行排序
Collections.sort(names, (s1, s2) -> s2.compareTo(s1));
System.out.println("Sorted names (reverse order): " + names);
}
}
reverse() 方法
功能
反转列表中元素的顺序。
示例代码
import java.util.ArrayList;
import java.util.Collections;
import java.util.List;
public class ReverseExample {
public static void main(String[] args) {
List<Integer> numbers = new ArrayList<>();
numbers.add(1);
numbers.add(2);
numbers.add(3);
// 反转列表
Collections.reverse(numbers);
System.out.println("Reversed numbers: " + numbers);
}
}
shuffle() 方法
功能
随机打乱列表中元素的顺序。
示例代码
import java.util.ArrayList;
import java.util.Collections;
import java.util.List;
public class ShuffleExample {
public static void main(String[] args) {
List<Integer> numbers = new ArrayList<>();
for (int i = 1; i <= 10; i++) {
numbers.add(i);
}
// 随机打乱列表
Collections.shuffle(numbers);
System.out.println("Shuffled numbers: " + numbers);
}
}
五、查找操作
binarySearch() 方法
功能
使用二分查找算法在有序列表中查找指定元素的索引。如果找到元素，返回其索引；如果未找到，返回一个负数，表示插入点的位置。
示例代码
import java.util.ArrayList;
import java.util.Collections;
import java.util.List;
public class BinarySearchExample {
public static void main(String[] args) {
List<Integer> numbers = new ArrayList<>();
numbers.add(1);
numbers.add(3);
numbers.add(5);
numbers.add(7);
numbers.add(9);
// 进行二分查找
int index = Collections.binarySearch(numbers, 5);
System.out.println("Index of 5: " + index);
int notFoundIndex = Collections.binarySearch(numbers, 4);
System.out.println("Index of 4 (not found): " + notFoundIndex);
}
}
max() 和 min() 方法
功能
max() 方法返回集合中的最大元素，min() 方法返回集合中的最小元素。可以传入自定义的 Comparator 来指定比较规则。
示例代码
import java.util.ArrayList;
import java.util.Collections;
import java.util.List;
public class MaxMinExample {
public static void main(String[] args) {
List<Integer> numbers = new ArrayList<>();
numbers.add(2);
numbers.add(4);
numbers.add(1);
numbers.add(3);
// 查找最大值和最小值
int max = Collections.max(numbers);
int min = Collections.min(numbers);
System.out.println("Max: " + max + ", Min: " + min);
// 使用自定义比较器查找最大值和最小值
List<String> names = new ArrayList<>();
names.add("Alice");
names.add("Charlie");
names.add("Bob");
String longestName = Collections.max(names, (s1, s2) -> s1.length() - s2.length());
String shortestName = Collections.min(names, (s1, s2) -> s1.length() - s2.length());
System.out.println("Longest name: " + longestName + ", Shortest name: " + shortestName);
}
}
六、填充和替换操作
fill() 方法
功能
用指定元素填充列表中的所有元素。
示例代码
import java.util.ArrayList;
import java.util.Collections;
import java.util.List;
public class FillExample {
public static void main(String[] args) {
List<String> list = new ArrayList<>();
for (int i = 0; i < 5; i++) {
list.add("");
}
// 用指定元素填充列表
Collections.fill(list, "Hello");
System.out.println("Filled list: " + list);
}
}
replaceAll() 方法
功能
将列表中所有指定的旧元素替换为新元素。
示例代码
import java.util.ArrayList;
import java.util.Collections;
import java.util.List;
public class ReplaceAllExample {
public static void main(String[] args) {
List<String> names = new ArrayList<>();
names.add("Alice");
names.add("Bob");
names.add("Alice");
// 替换所有的 "Alice" 为 "Alicia"
Collections.replaceAll(names, "Alice", "Alicia");
System.out.println("Replaced list: " + names);
}
}
七、同步操作
线程安全问题
在多线程环境下，如果多个线程同时访问和修改同一个集合，可能会导致数据不一致的问题。例如，一个线程正在遍历集合，另一个线程同时修改集合的结构，可能会抛出 ConcurrentModificationException 异常。
synchronizedList()、synchronizedSet() 和 synchronizedMap() 方法
功能
这些方法用于将非线程安全的集合转换为线程安全的集合。返回的集合在进行操作时会自动进行同步，确保在多线程环境下的线程安全。
示例代码
import java.util.ArrayList;
import java.util.Collections;
import java.util.List;
public class SynchronizedExample {
public static void main(String[] args) {
// 创建一个非线程安全的列表
List<String> nonSynchronizedList = new ArrayList<>();
nonSynchronizedList.add("Apple");
nonSynchronizedList.add("Banana");
// 将非线程安全的列表转换为线程安全的列表
List<String> synchronizedList = Collections.synchronizedList(nonSynchronizedList);
// 在多线程环境下使用线程安全的列表
// 注意：在使用迭代器遍历同步集合时，需要手动进行同步
synchronized (synchronizedList) {
for (String element : synchronizedList) {
System.out.println(element);
}
}
}
}
八、其他常用方法
frequency() 方法
功能
返回集合中指定元素出现的次数。
示例代码
import java.util.ArrayList;
import java.util.Collections;
import java.util.List;
public class FrequencyExample {
public static void main(String[] args) {
List<String> names = new ArrayList<>();
names.add("Alice");
names.add("Bob");
names.add("Alice");
// 统计 "Alice" 出现的次数
int frequency = Collections.frequency(names, "Alice");
System.out.println("Frequency of 'Alice': " + frequency);
}
}
disjoint() 方法
功能
判断两个集合是否没有共同元素。如果两个集合没有共同元素，返回 true；否则返回 false。
示例代码
import java.util.ArrayList;
import java.util.Collections;
import java.util.List;
public class DisjointExample {
public static void main(String[] args) {
List<Integer> list1 = new ArrayList<>();
list1.add(1);
list1.add(2);
list1.add(3);
List<Integer> list2 = new ArrayList<>();
list2.add(4);
list2.add(5);
list2.add(6);
// 判断两个集合是否没有共同元素
boolean isDisjoint = Collections.disjoint(list1, list2);
System.out.println("Are the lists disjoint? " + isDisjoint);
}
}
九、课堂练习
练习 1
创建一个包含多个整数的列表，使用 Collections 工具类对列表进行排序，然后查找其中的最大值和最小值，并将所有元素替换为 0。
import java.util.ArrayList;
import java.util.Collections;
import java.util.List;
public class Exercise1 {
public static void main(String[] args) {
// 请完成代码
}
}
练习 2
创建两个列表，一个包含一些水果名称，另一个包含一些蔬菜名称。使用 Collections 工具类判断这两个列表是否有共同元素。
import java.util.ArrayList;
import java.util.Collections;
import java.util.List;
public class Exercise2 {
public static void main(String[] args) {
// 请完成代码
}
}
十、课程总结
重点回顾
- Collections 工具类的作用和特点，它是一个提供集合操作方法的静态工具类。
- 常用的排序操作方法，如
sort()、reverse()、shuffle()。 - 查找操作方法，如
binarySearch()、max()、min()。 - 填充和替换操作方法，如
fill()、replaceAll()。 - 同步操作方法，如
synchronizedList()等。 - 其他常用方法，如
frequency()、disjoint()。
注意事项
- 在使用
binarySearch()方法时，列表必须是有序的，否则结果可能不正确。 - 在使用同步集合时，需要注意迭代器的使用，避免出现并发修改异常。
- 对于自定义排序，要确保元素实现了
Comparable接口或传入了合适的Comparator。
十一、课后作业
作业 1
实现一个程序，读取用户输入的一组整数，将其存储在列表中，使用 Collections 工具类对列表进行排序，并输出排序后的结果。
作业 2
创建一个包含多个字符串的列表，使用 Collections 工具类统计每个字符串出现的次数，并输出结果。
作业 3
在多线程环境下，使用 Collections 工具类将一个非线程安全的列表转换为线程安全的列表，并模拟多个线程同时对列表进行读写操作，观察程序的运行结果。
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