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深入理解 Java 中的 Collections 工具类

article 2024/11/17 1:40:07

Java 中的 Collections 工具类是一个非常重要的部分，它提供了许多方便的方法来操作集合（Collection），如排序、搜索、同步化、不可变集合等。在本文中，我们将深入探讨 Collections 工具类的核心功能及其应用场景，帮助您在实际开发中更加高效地使用这些方法。

`Collections` 工具类概述

Collections 位于 java.util 包中，是一个提供静态方法的工具类，用于操作或返回集合。它是一个最终类（final），无法被继承。该类的方法主要用于操作 List、Set 和 Map 等集合接口，为开发者提供了大量简化和优化集合操作的工具。

常用方法详解

排序与搜索

1. `sort` 方法

Collections.sort 方法用于对 List 进行排序，支持自然排序和基于比较器的排序：

Collections.sort(List<T> list);
Collections.sort(List<T> list, Comparator<? super T> c);

示例：

List<Integer> numbers = Arrays.asList(3, 1, 4, 1, 5, 9);
Collections.sort(numbers);
System.out.println(numbers); // 输出: [1, 1, 3, 4, 5, 9]

2. `binarySearch` 方法

Collections.binarySearch 方法用于在已排序的 List 中进行二分查找。请确保在调用此方法之前，List 已经排序：

Collections.binarySearch(List<? extends Comparable<? super T>> list, T key);
Collections.binarySearch(List<? extends T> list, T key, Comparator<? super T> c);

示例：

int index = Collections.binarySearch(numbers, 4);
System.out.println(index); // 输出: 3

反转与置换

1. `reverse` 方法

Collections.reverse 方法可以反转 List 中元素的顺序：

Collections.reverse(List<?> list);

示例：

Collections.reverse(numbers);
System.out.println(numbers); // 输出: [9, 5, 4, 3, 1, 1]

2. `shuffle` 方法

Collections.shuffle 方法用于随机置换 List 中的元素顺序：

Collections.shuffle(List<?> list);
Collections.shuffle(List<?> list, Random rnd);

示例：

Collections.shuffle(numbers);
System.out.println(numbers); // 输出: 顺序随机

同步化与线程安全

Collections 提供了一些方法来创建线程安全的集合，如 synchronizedList、synchronizedSet 和 synchronizedMap。这些方法返回的集合是对原集合的包装，在多线程环境下使用非常有用。

List<T> synchronizedList = Collections.synchronizedList(new ArrayList<>());
Set<T> synchronizedSet = Collections.synchronizedSet(new HashSet<>());
Map<K, V> synchronizedMap = Collections.synchronizedMap(new HashMap<>());

在使用同步化集合时，特别是在遍历时，仍然需要手动同步，以避免并发修改异常（ConcurrentModificationException）：

List<Integer> syncList = Collections.synchronizedList(new ArrayList<>());
synchronized (syncList) {
    Iterator<Integer> it = syncList.iterator();
    while (it.hasNext()) {
        System.out.println(it.next());
    }
}

不可变集合与只读集合

Collections 提供了几种方法来创建不可修改的集合视图，这些集合在被尝试修改时会抛出 UnsupportedOperationException，这在设计安全的API时非常有用。

List<T> unmodifiableList = Collections.unmodifiableList(originalList);
Set<T> unmodifiableSet = Collections.unmodifiableSet(originalSet);
Map<K, V> unmodifiableMap = Collections.unmodifiableMap(originalMap);

示例：

List<Integer> modifiableList = new ArrayList<>(Arrays.asList(1, 2, 3));
List<Integer> unmodifiableList = Collections.unmodifiableList(modifiableList);
unmodifiableList.add(4); // 抛出 UnsupportedOperationException

单例集合

Collections 还提供了创建只包含一个元素的不可变集合的方法，如 singletonList、singleton 和 singletonMap。

List<Integer> modifiableList = new ArrayList<>(Arrays.asList(1, 2, 3));
List<Integer> unmodifiableList = Collections.unmodifiableList(modifiableList);
unmodifiableList.add(4); // 抛出 UnsupportedOperationException

示例：

List<T> singletonList = Collections.singletonList(T o);
Set<T> singletonSet = Collections.singleton(T o);
Map<K, V> singletonMap = Collections.singletonMap(K key, V value);

其他有用的方法

1. `fill` 方法

Collections.fill 方法可以用指定的元素替换列表中的所有元素：

Collections.fill(List<? super T> list, T obj);

示例：

Collections.fill(numbers, 0);
System.out.println(numbers); // 输出: [0, 0, 0, 0, 0, 0]

2. `copy` 方法

Collections.copy 方法将源列表中的所有元素复制到目标列表中。注意目标列表必须至少有与源列表相同的大小：

Collections.copy(List<? super T> dest, List<? extends T> src);

示例：

List<Integer> src = Arrays.asList(1, 2, 3);
List<Integer> dest = new ArrayList<>(Arrays.asList(0, 0, 0));
Collections.copy(dest, src);
System.out.println(dest); // 输出: [1, 2, 3]

3. `min` 与 `max` 方法

Collections.min 和 Collections.max 方法可以分别返回集合中的最小和最大元素：

Collections.min(Collection<? extends T> coll);
Collections.max(Collection<? extends T> coll, Comparator<? super T> comparator);

示例：

int min = Collections.min(numbers);
int max = Collections.max(numbers);
System.out.println("Min: " + min + ", Max: " + max);

`Collections` 与 `Collection` 的区别

在学习 Collections 工具类时，很多初学者可能会混淆它与 Collection 接口的区别：

Collection 是一个接口，定义了基本的集合操作，如添加、删除、遍历等。
Collections 是一个工具类，提供静态方法来操作 Collection 接口及其子接口（如 List、Set、Map）。

简而言之，Collection 是接口，而 Collections 是一个用来操作集合的工具类。

性能考虑

使用 Collections 工具类的方法时，性能往往取决于底层集合的实现。例如：

排序：Collections.sort 方法的性能依赖于 List 的具体实现（如 ArrayList 和 LinkedList）。
同步化：同步化集合（如 synchronizedList）在多线程环境中非常有用，但在单线程环境中可能会引入不必要的性能开销。

实战示例

以下是一个综合示例，展示了 Collections 工具类的多种方法的使用：

import java.util.*;

public class CollectionsDemo {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建一个可变的List
        List<String> fruits = new ArrayList<>(Arrays.asList("Apple", "Banana", "Cherry", "Date"));

        // 排序
        Collections.sort(fruits);
        System.out.println("Sorted: " + fruits);

        // 反转
        Collections.reverse(fruits);
        System.out.println("Reversed: " + fruits);

        // 洗牌
        Collections.shuffle(fruits);
        System.out.println("Shuffled: " + fruits);

        // 查找
        Collections.sort(fruits);
        int index = Collections.binarySearch(fruits, "Cherry");
        System.out.println("Index of Cherry: " + index);

        // 同步化
        List<String> syncFruits = Collections.synchronizedList(fruits);
        synchronized (syncFruits) {
            Iterator<String> it = syncFruits.iterator();
            while (it.hasNext()) {
                System.out.println(it.next());
            }
        }

        // 不可变化
        List<String> unmodifiableFruits = Collections.unmodifiableList(fruits);
        // unmodifiableFruits.add("Elderberry"); // 抛出 UnsupportedOperationException

        // 单例集合
        List<String> singleton = Collections.singletonList("OnlyOne");
        System.out.println("Singleton List: " + singleton);
    }
}

输出示例：

Sorted: [Apple, Banana, Cherry, Date]
Reversed: [Date, Cherry, Banana, Apple]
Shuffled: [Banana, Apple, Date, Cherry]
Index of Cherry: 3
Banana
Apple
Date
Cherry
Singleton List: [OnlyOne]