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论 JAVA 集合框架中接口与类的关系

article 2024/9/22 18:07:50

前言

这是笔者在学习过程中的一篇"备忘录",其目的是能用最EZ最粗鄙的语言口述出 JAVA集合框架中所有类与接口的关系

本人在不断地学习中,总会混淆集合框架中的类和接口,以及它们的作用关系,虽然不影响我的使用,但是我也不想一直糊涂下去,故而趁知识还没混淆之际,赶紧写下来.

这不是一篇看起来很专业的文章,但我希望它是最好懂的.

正文

首先请看图

Java 集合框架包括多个接口，每个接口定义了一类集合的通用操作和行为。主要接口包括：

Collection 接口：这是所有集合类的根接口，它定义了一些基本的集合操作方法，如 add(), remove(), size(), isEmpty() 等。Collection 接口的主要实现包括 Set, List, 和 Queue。
Set 接口：继承自 Collection，表示一个不允许重复元素的集合。常见实现类有 HashSet, LinkedHashSet, 和 TreeSet。Set 主要关注元素的唯一性。
List 接口：继承自 Collection，表示一个有序的集合，允许重复元素。常见实现类有 ArrayList, LinkedList, 和 Vector。List 提供按索引访问元素的方法。
Map 接口：与 Collection 不同，Map 表示键值对的映射关系。常见实现类有 HashMap, TreeMap, 和 LinkedHashMap。Map 用于存储和管理键值对，其中键是唯一的。

我们知道, 接口可以被看做是一种"行为指导准则". 定义了可以实现的方法

而我们的类,它就是"执行者",类不仅仅负责实现接口定义的方法，还包含了更多关于数据、逻辑和具体功能的实现细节。

结论一

一个类实现了不同的接口,功能也会改变

举例：ArrayList 和 LinkedList

ArrayList 和 LinkedList 是 Java 集合框架中的两个常见类，它们都实现了多个接口，但由于它们的实现方式不同，表现的行为也有差异。

ArrayList 实现的接口：

List：这是最重要的接口，定义了有序、可重复的元素集合。
RandomAccess：这是一个标识接口，表明该类支持快速的随机访问（按索引访问元素）。
Cloneable：表明该类可以被克隆。
Serializable：表明该类的对象可以被序列化，便于保存到文件或通过网络传输。

LinkedList 实现的接口：

List：同样实现了 List 接口，表明它支持有序集合。
Deque：这是 Queue 的子接口，表明 LinkedList 可以作为双端队列使用。
Cloneable 和 Serializable：和 ArrayList 一样，它也可以被克隆和序列化。

List<String> arrayList = new ArrayList<>();
List<String> linkedList = new LinkedList<>();

// ArrayList 随机访问效率高
String arrayElement = arrayList.get(2);

// LinkedList 插入/删除操作效率高
linkedList.addFirst("First Element");

其次,不同类对于接口的实现程度也是有区别的

例如

完全实现:

ArrayList 实现了 List 接口，提供了按索引访问和操作元素的方法，并维护元素的顺序。
HashSet 实现了 Set 接口，确保集合中元素的唯一性，并不维护元素的顺序。
HashMap 实现了 Map 接口，提供了对键值对的高效存储和检索。

部分实现:

AbstractList 和 AbstractSet 是抽象类，它们提供了 List 和 Set 接口的一部分实现。它们允许子类继承并补充实现。

结论二

一个接口用不同类去实现,效果也会不同

以 Queue 接口举例

有很多类都可以实现这个接口

以笔者能完全掌握的知识举例

1. LinkedList 实现 Queue 接口

LinkedList 是基于链表的实现，插入和删除元素时效率较高（O(1) 操作），尤其是在队列的头尾操作时。
它可以作为队列，也可以作为双端队列使用，支持从头部和尾部的操作。

效果：

适用于需要频繁插入和删除操作的场景，且元素不需要按顺序排序。

import java.util.LinkedList;
import java.util.Queue;

public class LinkedListQueueExample {
    public static void main(String[] args) {
        Queue<String> queue = new LinkedList<>();
        
        // 添加元素到队列
        queue.offer("A");
        queue.offer("B");
        queue.offer("C");
        
        // 查看队首元素
        System.out.println("队首元素: " + queue.peek()); // 输出: A
        
        // 移除队首元素
        System.out.println("移除: " + queue.poll());     // 输出: A
        
        // 再次查看队首元素
        System.out.println("队首元素: " + queue.peek()); // 输出: B
    }
}

2. PriorityQueue 实现 Queue 接口

PriorityQueue 是基于堆的实现，插入元素时按照优先级顺序插入，取出元素时总是取出优先级最高的元素。
虽然也是队列，但并不保证元素按插入顺序排布，而是按优先级排序。

效果：

适用于需要根据优先级处理元素的场景，例如任务调度、事件处理等。

import java.util.PriorityQueue;
import java.util.Queue;

public class PriorityQueueExample {
    public static void main(String[] args) {
        Queue<Integer> priorityQueue = new PriorityQueue<>();
        
        // 添加元素
        priorityQueue.offer(10);
        priorityQueue.offer(20);
        priorityQueue.offer(15);
        
        // 移除优先级最高的元素（最小元素）
        System.out.println("移除: " + priorityQueue.poll());  // 输出: 10
        System.out.println("队首元素: " + priorityQueue.peek()); // 输出: 15
    }
}

3. ArrayDeque 实现 Queue 接口

ArrayDeque 是基于动态数组的双端队列，既可以作为栈使用，也可以作为队列使用，插入和删除操作效率较高（O(1)）。
它不允许 null 元素，并且容量可以动态调整。

import java.util.ArrayDeque;
import java.util.Queue;

public class ArrayDequeExample {
    public static void main(String[] args) {
        Queue<String> arrayDeque = new ArrayDeque<>();
        
        // 添加元素
        arrayDeque.offer("A");
        arrayDeque.offer("B");
        arrayDeque.offer("C");
        
        // 查看和移除队首元素
        System.out.println("队首元素: " + arrayDeque.peek()); // 输出: A
        System.out.println("移除: " + arrayDeque.poll());     // 输出: A
        System.out.println("队首元素: " + arrayDeque.peek()); // 输出: B
    }
}

所以说