java 7 collection 详解（二）

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一、Queue接口

    Queue提供了队列的实现，除了基本的Collection操作外，队列还提供其他的插入、提取和检查操作。队列通常（除优先级队列、LIFO队列）以 FIFO（先进先出）的方式排序各个元素。Queue接口代码如下：

public interface Queue<E> extends Collection<E> {
    E element();
    boolean offer(E e);
    E peek();
    E poll();
    E remove();
}

    每一个Queue方法都提供了两种形式：一种抛出异常（操作失败时），另一种返回一个特殊值（null 或 false，具体取决于操作）。插入操作的后一种形式是用于专门为有容量限制的 Queue 实现设计的；在大多数实现中，插入操作不会失败。详解如下表：

操作类型	抛出异常	返回特殊值
插入	add(e)	offer(e)
删除	remove()	poll()
查看	element()	peek()

    add和offer（e)可向队列里插入一个元素，插入失败事add抛出IllegalStateException，offer（e）返回false；remove和poll可移除可返回队列的头部元素，如果队列为空时，remove抛出NoSuchElementException，poll返回null；element和peek可以查看队列的头部元素（不移除），如果队列为空时，element抛出NoSuchElementException，peek返回null。

    即使Queue的实现允许插入null元素，也不要往Queue队列里插入null。因为 null 也用作 poll 方法的一个特殊返回值，表明队列不包含元素。

    这里给出一个计时器的Demo，来演示Queue的FIFO特性：

public class Counter {

	public static void main(String[] args) throws Exception {
		int time = 10;//十秒倒数
		Queue<Integer> queue = new LinkedList<Integer>();
		//初始化queue
		for (int i = time; i >= 0; i--){
			queue.add(i);
		}
		while (!queue.isEmpty()) {
			System.out.println(queue.remove());
			Thread.sleep(1000);
		}
	}
}

    以上实现了一个十秒钟的倒计时，当然了对倒计时器可以有着更好的实现，这里只是为了更好演示Queue FIFO的性质。同样地，可以看一下优先级队列的性质。PriorityQueue，是一个基于优先级堆的无界优先级队列，其元素是按照其自然顺序排列，或者根据构造时提供的Comparator进行排序。PriorityQueue不允许使用 null 元素，依靠自然顺序的PriorityQueue还不允许插入不可比较的对象（会抛出ClassCastException）。 Demo：PriorityQueueTest，演示了优先级队列的性质：

public class PriorityQueueTest {

	static <E> List<E> heapSort(Collection<E> c) {
		Queue<E> queue = new PriorityQueue<>(c);
		List<E> result = new ArrayList<>();

		while (!queue.isEmpty()) {
			result.add(queue.remove());
		}
		return result;
	}

	public static void main(String[] args) {
		String[] str = { "d", "b", "a", "c" };
		List<String> list = new ArrayList<>();
		for (String s : str) {
			list.add(s);
		}
		System.out.println(heapSort(list));
	}
}

其输出如下：（按自然顺序输出）。

    注意的，Queue 接口并未定义阻塞队列的方法，而这在并发编程中是很常见的。BlockingQueue 接口定义了那些等待元素出现或等待队列中有可用空间的方法，这些方法扩展了此接口。 

    BlockingQueue继承了Queue接口，在Queue的基础上增加了两个操作：（1）将指定元素插入此队列中，将等待可用的空间（如果有必要）；（2）获取并移除此队列的头部，在元素变得可用之前一直等待（如果有必要）。 方法如下表：

	抛出异常	特殊值	阻塞	超时
插入	add(e)	offer(e)	put(e)	offer(e, time, unit)
移除	remove()	poll()	take()	poll(time, unit)
检查	element()	peek()	不可用	不可用

    在此已经涉及并发编程了，例如我们可以使用BlockingQueue来控制连接池的连接，如果连接池已满，新来的连接则需要等待，过了一定的时间，可以移除部分连接，这些将会在java并发里谈到，有兴趣的可以了解一下java的并发编程。

Map接口

    一个Map就是将键映射到值得对象。一个映射里不能包含相同的Key，同时一个Key最多映射到一个值。这个概念有点像数学里的函数定义。Map接口代码如下：

public interface Map<K,V> {

    //基本操作
    V put(K key, V value);
    V get(Object key);
    V remove(Object key);
    boolean containsKey(Object key);
    boolean containsValue(Object value);
    int size();
    boolean isEmpty();

    // 批量操作
    void putAll(Map<? extends K, ? extends V> m);
    void clear();

    // Collection视图
    public Set<K> keySet();
    public Collection<V> values();
    public Set<Map.Entry<K,V>> entrySet();

    //为entrySet元素提供的接口
    public interface Entry {
        K getKey();
        V getValue();
        V setValue(V value);
    }
}

     java提供了三种常用的Map实现：HashMap, TreeMap, 和LinkedHashMap. 其机制与HashSet、TreeSet和LinkedHashSet相似，详情可了解上一节的Set接口的内容。同样地，从java 2开始，HashTable改进为Map的一种实现。

Map的基本操作

    Map的基本操作有put、get、containsKey、containsValue、size和isEmpty。以Demo Frequency.java演示Map的基本操作，在这个Demo里，我们去计算一段话里各个单词出现的次数。

public class Frequency {

	public static void main(String[] args) {
		String[] str = { "a", "c", "b", "d", "a", "d", "a" };
		Map<String, Integer> map = new HashMap<>();

		// 遍历str，取得频数分布表
		for (String a : str) {
			Integer count = map.get(a);
			map.put(a, (count == null) ? 1 : count + 1);
		}

		System.out.println(map.size() + " 不同的单词");
		System.out.println(map);
	}
}

    其输出如下：

    与Set类似，如果需要以自然顺序输出map的键值对，可以使用TreeMap实现。

    Map<String, Integer> map = new TreeMap<>();

    其输出如下：

    同样地，如果想按照插入的顺序输出map的键值对，可以使用LinkedHashMap。

    Map<String, Integer> map = new LinkedHashMap<>();

    其输出如下：

    在此，也需要指出的就是，所有Map的实现，都需要提供一个空的构造函数，另外是有一个map参数的构造函数，带map参数的构造函数可以允许复制一个map。其作用原理与Collection类似。

    Map<K, V> copy = new HashMap<K, V>(m);

Map的批量操作

    clear（）方法可以清空Map里的所有键值对；putall（）方法可以将另一个map里的键值对添加进来，类似于Collection里的addAll（）方法。类似地，我们可以利用putAll（）方法将两个Map合并成一个新的Map，如下所示：

static <K, V> Map<K, V> newAttributeMap(Map<K, V>defaults, Map<K, V> overrides) {
	    Map<K, V> result = new HashMap<K, V>(defaults);
	    result.putAll(overrides);
	    return result;
	}

Collection视图

    Collection视图方法允许把Map当作一个Collection来处理。Map 接口提供三种了Collection 视图，允许以键集、值集或键-值映射关系集的形式查看某个映射的内容，其方法如下：

• keySet — 由Key组成Set视图
• values — 由value组成Collection视图，但又与Set视图有区别，因为一个value可以映射到多个Key上（即可能有重复的元素）
• entrySet — 由key-value组成的Set视图。在Map接口里内嵌里一个小接口Map.Entry

    遍历Collection视图的方法，类似的可以使用foreach方法或使用Iterator接口，当中Key视图与value视图的遍历操作类似，这里以key视图为例：

//foreach方法
for (KeyType key : m.keySet()){
    System.out.println(key);
}
//使用iterator接口
for (Iterator<Type> it = m.keySet().iterator(); it.hasNext(); ){
    if (it.next().isBogus()){
        it.remove();
    }
}

    key-value视图的遍历其实也很是类似，只不过这次用的是Map,Entry,

for (Map.Entry<KeyType, ValType> e : m.entrySet()) {
    System.out.println(e.getKey() + ": " + e.getValue());
}

    在这三种视图里,都可以是用Iterator#remove()方法移除Map里的元素.对于key-value视图,迭代时还可以Map.Entry#setValue.

    Collection视图允许使用各种移除元素的方法,包括remove, removeAll, retainAll, 和 clear 方法,还包括Iterator的remove方法.可注意的是,在任何情况下,Collection视图都不支持添加元素的方法.添加元素对于key视图和value视图没有任何意思,对key-value视图也没有必要,因为Map的put和putAll方法已经提供了添加元素的方法.

Collection视图的应用:Map代数

    Collection视图的应用,往往就是各种Map批量操作的应用(containsAll, removeAll, 和retainAll).

    首先了解一下,如何去判断m2是不是m1的子Map,即判断m1是否包含了m2所有的key,

if (m1.entrySet().containsAll(m2.entrySet())) {
    ...
}

    类似的,可以判断一下,m1与m2是否相等,即key的所有值都一样:

if (m1.keySet().equals(m2.keySet())) {
    ...
}

    通常，我们会遇到这么一种情况，去判断Map对象是否有指定的值构成，现在我们假设有两个Set，当中一个Set包含里必须有的值，另外一个Set则包含里可能的值（可能的值包含了必须有的值），现在我们来判断一下，Map的属性值是否合法（即是否全包好了必须的值，其他值又是否都在可能的值去到）：

 

static <K, V> boolean validate(Map<K, V> attrMap, Set<K> requiredAttrs, Set<K>permittedAttrs) {
	    boolean valid = true;
	    Set<K> attrs = attrMap.keySet();

	    if (! attrs.containsAll(requiredAttrs)) {//没有全包含必须有的值
	        Set<K> missing = new HashSet<K>(requiredAttrs);
	        missing.removeAll(attrs);
	        System.out.println("缺少的值有：" + missing);
	        valid = false;
	    }
	    if (! permittedAttrs.containsAll(attrs)) {
	        Set<K> illegal = new HashSet<K>(attrs);
	        illegal.removeAll(permittedAttrs);
	        System.out.println("不合法的值有: " + illegal);
	        valid = false;
	    }
	    return valid;
	}

    在validate里只是简单的输出对应的信息，实际编程时来合理添加具体逻辑。类似的，看一下其他应用：如求两个Map的共同元素（即交集），可以这样实现：

Set<KeyType> commonKeys = new HashSet<>(m1.keySet());
commonKeys.retainAll(m2.keySet());

   那又如何删除两个Map的相同元素呢（差集）？？

   m1.entrySet().removeAll(m2.entrySet());

   或：m1.keySet().removeAll(m2.keySet());

   或：m1.values().removeAll(m2.values());

   以上三种方法都可以删除map里相同的元素，可也有一定的区别。entrySet移除的是key-value一致的键值对（唯一），keySet移除的是key相同的值（唯一），values移除的是值相同的键值对（可能有多个，因为一个value，可以对应多个key）。

   到现在为止所说的关于map的方法，都是无损的，因为这些方法都没有尝试去修改Map里的值。如果需要修改map的key值，注意不能原map里的其他key相同（map里包含相同的key），如果修改后的key值与某一key相同，会引发异常。

   现在进一步来学一下map的应用，可以设想一下，如果在map批量操作里，同时操作里key和value视图，会发生什么情况或者说有什么作用？？举个例子：假设有一个Map对象managers，以员工-上司的键值形式存储（这里假设员工、上司都是Employee对象，具体实现可根据实际情况来设计），现在需要找出没有分配到的经上司的员工，应该如何去找呢？？

Set<Employee> individualContributors = new HashSet<>(managers.keySet());
individualContributors.removeAll(managers.values());

   接着看一下，如何去删除（解雇）某个上司（经理）下的所有员工呢？？

Employee manager = ... ;//某个经理对象
managers.values().removeAll(Collections.singleton(manager));

   附：工厂方法Collections.singleton（）在前面谈过，可以返回只包含某个对象的Set。

   如果需要找出一线员工（即最低层的员工，注意上司还可以有上司的上司等）？？

Map<Employee, Employee> m = new HashMap<>(managers);//复制managers对象
m.values().removeAll(managers.keySet());//移除职位是上司（或上司的上司）的对象
Set<Employee> slackers = m.keySet();//剩下的就是一线员工了

   为了加深对上面逻辑的了解，可以看一下一个简单的Demo：MapTest.java

public class MapTest {

	public static void main(String[] args) {
		Map<String, String> m1=new HashMap<String, String>();
		Map<String, String> m2=new HashMap<String, String>();
		 m1.put("1", "1");
		 m1.put("2", "1");
		 m1.put("3", "2");
		 m2.put("3", "1");
		 m2.put("1", "1");
		 m2.put("4", "1");
		 
		 m1.entrySet().removeAll(m2.entrySet());//  A
//		 m1.keySet().removeAll(m2.keySet());  //  B
//		 m1.values().removeAll(m2.keySet());  //  C
//		 m1.values().removeAll(m2.keySet());	//D
		 System.out.println(m1);
	}
}

    当中A输出：{3=2, 2=1}。注：此处“=”没有任何的意义，只是表示键值对的形式。

    B输出：{2=1}

    C输出：{3=2}

    D输出：{3=2}

   三种Collection视图方法，在实际应用的时候，只需要稍加推到可以得到多种灵活的变化。