Java 数据结构

Java工具包提供了强大的数据结构。在Java中的数据结构主要包括以下几种接口和类：

  • 枚举（Enumeration）
  • 位集合（BitSet）
  • 向量（Vector）
  • 栈（Stack）
  • 字典（Dictionary）
  • 哈希表（Hashtable）
  • 属性（Properties）

以上这些类是传统遗留的，在Java2中引入了一种新的框架-集合框架(Collection)，我们后面再讨论。

枚举（Enumeration）

枚举（Enumeration）接口虽然它本身不属于数据结构,但它在其他数据结构的范畴里应用很广。 枚举（The Enumeration）接口定义了一种从数据结构中取回连续元素的方式。

例如，枚举定义了一个叫nextElement 的方法，该方法用来得到一个包含多元素的数据结构的下一个元素。

位集合（BitSet）

位集合类实现了一组可以单独设置和清除的位或标志。

该类在处理一组布尔值的时候非常有用，你只需要给每个值赋值一"位"，然后对位进行适当的设置或清除，就可以对布尔值进行操作了。

向量（Vector）

向量（Vector）类和传统数组非常相似，但是Vector的大小能根据需要动态的变化。

和数组一样，Vector对象的元素也能通过索引访问。

使用Vector类最主要的好处就是在创建对象的时候不必给对象指定大小，它的大小会根据需要动态的变化。

栈（Stack）

栈（Stack）实现了一个后进先出（LIFO）的数据结构。

你可以把栈理解为对象的垂直分布的栈，当你添加一个新元素时，就将新元素放在其他元素的顶部。

当你从栈中取元素的时候，就从栈顶取一个元素。换句话说，最后进栈的元素最先被取出。

字典（Dictionary）

字典（Dictionary） 类是一个抽象类，它定义了键映射到值的数据结构。

当你想要通过特定的键而不是整数索引来访问数据的时候，这时候应该使用Dictionary。

由于Dictionary类是抽象类，所以它只提供了键映射到值的数据结构，而没有提供特定的实现。

哈希表（Hashtable）

Hashtable类提供了一种在用户定义键结构的基础上来组织数据的手段。

例如，在地址列表的哈希表中，你可以根据邮政编码作为键来存储和排序数据，而不是通过人名。

哈希表键的具体含义完全取决于哈希表的使用情景和它包含的数据。

属性（Properties）

Properties 继承于 Hashtable.Properties 类表示了一个持久的属性集.属性列表中每个键及其对应值都是一个字符串。

Properties 类被许多Java类使用。例如，在获取环境变量时它就作为System.getProperties()方法的返回值。

Java 集合框架

早在 Java 2 中之前，Java 就提供了特设类。比如：Dictionary, Vector, Stack, 和 Properties 这些类用来存储和操作对象组。

虽然这些类都非常有用，但是它们缺少一个核心的，统一的主题。由于这个原因，使用 Vector 类的方式和使用 Properties 类的方式有着很大不同。

集合框架被设计成要满足以下几个目标。

  • 该框架必须是高性能的。基本集合（动态数组，链表，树，哈希表）的实现也必须是高效的。
  • 该框架允许不同类型的集合，以类似的方式工作，具有高度的互操作性。
  • 对一个集合的扩展和适应必须是简单的。

为此，整个集合框架就围绕一组标准接口而设计。你可以直接使用这些接口的标准实现，诸如： LinkedList, HashSet, 和 TreeSet 等,除此之外你也可以通过这些接口实现自己的集合。

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从上面的集合框架图可以看到，Java 集合框架主要包括两种类型的容器，一种是集合（Collection），存储一个元素集合，另一种是图（Map），存储键/值对映射。Collection 接口又有 3 种子类型，List、Set 和 Queue，再下面是一些抽象类，最后是具体实现类，常用的有 ArrayList、LinkedList、HashSet、LinkedHashSet、HashMap、LinkedHashMap 等等。

集合框架是一个用来代表和操纵集合的统一架构。所有的集合框架都包含如下内容：

  • 接口：是代表集合的抽象数据类型。例如 Collection、List、Set、Map 等。之所以定义多个接口，是为了以不同的方式操作集合对象
  • 实现（类）：是集合接口的具体实现。从本质上讲，它们是可重复使用的数据结构，例如：ArrayList、LinkedList、HashSet、HashMap。
  • 算法：是实现集合接口的对象里的方法执行的一些有用的计算，例如：搜索和排序。这些算法被称为多态，那是因为相同的方法可以在相似的接口上有着不同的实现。

除了集合，该框架也定义了几个 Map 接口和类。Map 里存储的是键/值对。尽管 Map 不是集合，但是它们完全整合在集合中。

集合框架体系如图所示

java高级用法 java高级包括哪些_List_02

Java 集合框架提供了一套性能优良，使用方便的接口和类，java集合框架位于java.util包中， 所以当使用集合框架的时候需要进行导包。

集合接口

集合框架定义了一些接口。本节提供了每个接口的概述：

序号

接口描述

1

Collection 接口

Collection 是最基本的集合接口，一个 Collection 代表一组 Object，即 Collection 的元素, Java不提供直接继承自Collection的类，只提供继承于的子接口(如List和set)。

Collection 接口存储一组不唯一，无序的对象。

2

List 接口

List接口是一个有序的 Collection，使用此接口能够精确的控制每个元素插入的位置，能够通过索引(元素在List中位置，类似于数组的下标)来访问List中的元素，第一个元素的索引为 0，而且允许有相同的元素。

List 接口存储一组不唯一，有序（插入顺序）的对象。

3

Set

Set 具有与 Collection 完全一样的接口，只是行为上不同，Set 不保存重复的元素。

Set 接口存储一组唯一，无序的对象。

4

SortedSet 

继承于Set保存有序的集合。

5

Map

Map 接口存储一组键值对象，提供key（键）到value（值）的映射。

6

Map.Entry 

描述在一个Map中的一个元素（键/值对）。是一个Map的内部类。

7

SortedMap

继承于 Map，使 Key 保持在升序排列。

8

Enumeration

这是一个传统的接口和定义的方法，通过它可以枚举（一次获得一个）对象集合中的元素。这个传统接口已被迭代器取代。

Set和List的区别

  • 1. Set 接口实例存储的是无序的，不重复的数据。List 接口实例存储的是有序的，可以重复的元素。
  • 2. Set检索效率低下，删除和插入效率高，插入和删除不会引起元素位置改变 <实现类有HashSet,TreeSet>。
  • 3. List和数组类似，可以动态增长，根据实际存储的数据的长度自动增长List的长度。查找元素效率高，插入删除效率低，因为会引起其他元素位置改变 <实现类有ArrayList,LinkedList,Vector> 。

集合实现类（集合类）

Java提供了一套实现了Collection接口的标准集合类。其中一些是具体类，这些类可以直接拿来使用，而另外一些是抽象类，提供了接口的部分实现。

标准集合类汇总于下表：

序号

类描述

1

AbstractCollection 

实现了大部分的集合接口。

2

AbstractList 

继承于AbstractCollection 并且实现了大部分List接口。

3

AbstractSequentialList 

继承于 AbstractList ，提供了对数据元素的链式访问而不是随机访问。

4

LinkedList

该类实现了List接口，允许有null（空）元素。主要用于创建链表数据结构，该类没有同步方法，如果多个线程同时访问一个List，则必须自己实现访问同步，解决方法就是在创建List时候构造一个同步的List。例如：

Listlist=Collections.synchronizedList(newLinkedList(...));

LinkedList 查找效率低。

5

ArrayList

该类也是实现了List的接口，实现了可变大小的数组，随机访问和遍历元素时，提供更好的性能。该类也是非同步的,在多线程的情况下不要使用。ArrayList 增长当前长度的50%，插入删除效率低。

6

AbstractSet 

继承于AbstractCollection 并且实现了大部分Set接口。

7

HashSet

该类实现了Set接口，不允许出现重复元素，不保证集合中元素的顺序，允许包含值为null的元素，但最多只能一个。

8

LinkedHashSet

具有可预知迭代顺序的 Set

9

TreeSet

该类实现了Set接口，可以实现排序等功能。

10

AbstractMap 

实现了大部分的Map接口。

11

HashMap 

HashMap 是一个散列表，它存储的内容是键值对(key-value)映射。

该类实现了Map接口，根据键的HashCode值存储数据，具有很快的访问速度，最多允许一条记录的键为null，不支持线程同步。

12

TreeMap 

继承了AbstractMap，并且使用一颗树。

13

WeakHashMap 

继承AbstractMap类，使用弱密钥的哈希表。

14

LinkedHashMap 

继承于HashMap，使用元素的自然顺序对元素进行排序.

15

IdentityHashMap 

继承AbstractMap类，比较文档时使用引用相等。

在前面的教程中已经讨论通过java.util包中定义的类，如下所示：

序号

类描述

1

Vector 

该类和ArrayList非常相似，但是该类是同步的，可以用在多线程的情况，该类允许设置默认的增长长度，默认扩容方式为原来的2倍。

2

Stack 

栈是Vector的一个子类，它实现了一个标准的后进先出的栈。

3

Dictionary 

Dictionary 类是一个抽象类，用来存储键/值对，作用和Map类相似。

4

Hashtable 

Hashtable 是 Dictionary(字典) 类的子类，位于 java.util 包中。

5

Properties 

Properties 继承于 Hashtable，表示一个持久的属性集，属性列表中每个键及其对应值都是一个字符串。

6

BitSet

一个Bitset类创建一种特殊类型的数组来保存位值。BitSet中数组大小会随需要增加。

集合算法

集合框架定义了几种算法，可用于集合和映射。这些算法被定义为集合类的静态方法。

在尝试比较不兼容的类型时，一些方法能够抛出 ClassCastException异常。当试图修改一个不可修改的集合时，抛出UnsupportedOperationException异常。

集合定义三个静态的变量：EMPTY_SET，EMPTY_LIST，EMPTY_MAP的。这些变量都不可改变。

 

序号

算法描述

1

Collection Algorithms

这里是一个列表中的所有算法实现。

如何使用迭代器

通常情况下，你会希望遍历一个集合中的元素。例如，显示集合中的每个元素。

一般遍历数组都是采用for循环或者增强for，这两个方法也可以用在集合框架，但是还有一种方法是采用迭代器遍历集合框架，它是一个对象，实现了Iterator 接口或ListIterator接口。

迭代器，使你能够通过循环来得到或删除集合的元素。ListIterator 继承了Iterator，以允许双向遍历列表和修改元素。

 

序号

迭代器方法描述

1

使用 Java Iterator

这里通过实例列出Iterator和listIterator接口提供的所有方法。

如何使用比较器

TreeSet和TreeMap的按照排序顺序来存储元素. 然而，这是通过比较器来精确定义按照什么样的排序顺序。

这个接口可以让我们以不同的方式来排序一个集合。

 

序号

比较器方法描述

1

使用 Java Comparator

这里通过实例列出Comparator接口提供的所有方法

Java 泛型

Java 泛型（generics）是 JDK 5 中引入的一个新特性, 泛型提供了编译时类型安全检测机制，该机制允许程序员在编译时检测到非法的类型。

 

泛型的本质是参数化类型，也就是说所操作的数据类型被指定为一个参数。

假定我们有这样一个需求：写一个排序方法，能够对整型数组、字符串数组甚至其他任何类型的数组进行排序，该如何实现？

答案是可以使用 Java 泛型。

使用 Java 泛型的概念，我们可以写一个泛型方法来对一个对象数组排序。然后，调用该泛型方法来对整型数组、浮点数数组、字符串数组等进行排序。

泛型方法

你可以写一个泛型方法，该方法在调用时可以接收不同类型的参数。根据传递给泛型方法的参数类型，编译器适当地处理每一个方法调用。

下面是定义泛型方法的规则：

  • 所有泛型方法声明都有一个类型参数声明部分（由尖括号分隔），该类型参数声明部分在方法返回类型之前（在下面例子中的<E>）。
  • 每一个类型参数声明部分包含一个或多个类型参数，参数间用逗号隔开。一个泛型参数，也被称为一个类型变量，是用于指定一个泛型类型名称的标识符。
  • 类型参数能被用来声明返回值类型，并且能作为泛型方法得到的实际参数类型的占位符。
  • 泛型方法体的声明和其他方法一样。注意类型参数只能代表引用型类型，不能是原始类型（像int,double,char的等）。

泛型类

泛型类的声明和非泛型类的声明类似，除了在类名后面添加了类型参数声明部分。

和泛型方法一样，泛型类的类型参数声明部分也包含一个或多个类型参数，参数间用逗号隔开。一个泛型参数，也被称为一个类型变量，是用于指定一个泛型类型名称的标识符。因为他们接受一个或多个参数，这些类被称为参数化的类或参数化的类型。

类型通配符

1、类型通配符一般是使用?代替具体的类型参数。例如 List<?> 在逻辑上是List<String>,List<Integer> 等所有List<具体类型实参>的父类。

Java 序列化

Java 提供了一种对象序列化的机制，该机制中，一个对象可以被表示为一个字节序列，该字节序列包括该对象的数据、有关对象的类型的信息和存储在对象中数据的类型。

将序列化对象写入文件之后，可以从文件中读取出来，并且对它进行反序列化，也就是说，对象的类型信息、对象的数据，还有对象中的数据类型可以用来在内存中新建对象。

整个过程都是 Java 虚拟机（JVM）独立的，也就是说，在一个平台上序列化的对象可以在另一个完全不同的平台上反序列化该对象。

类 ObjectInputStream 和 ObjectOutputStream 是高层次的数据流，它们包含反序列化和序列化对象的方法。

序列化对象

ObjectOutputStream 类用来序列化一个对象，如下的 SerializeDemo 例子实例化了一个 Employee 对象，并将该对象序列化到一个文件中。

该程序执行后，就创建了一个名为 employee.ser 文件。该程序没有任何输出，但是你可以通过代码研读来理解程序的作用。

Java 网络编程

网络编程是指编写运行在多个设备（计算机）的程序，这些设备都通过网络连接起来。

java.net 包中 J2SE 的 API 包含有类和接口，它们提供低层次的通信细节。你可以直接使用这些类和接口，来专注于解决问题，而不用关注通信细节。

java.net 包中提供了两种常见的网络协议的支持：

  • TCP：TCP 是传输控制协议的缩写，它保障了两个应用程序之间的可靠通信。通常用于互联网协议，被称 TCP / IP。
  • UDP：UDP 是用户数据报协议的缩写，一个无连接的协议。提供了应用程序之间要发送的数据的数据包。

本教程主要讲解以下两个主题。

  • Socket 编程：这是使用最广泛的网络概念，它已被解释地非常详细。
  • URL 处理：这部分会在另外的篇幅里讲，点击这里更详细地了解在 Java 语言中的 URL 处理。

Socket 编程

套接字使用TCP提供了两台计算机之间的通信机制。 客户端程序创建一个套接字，并尝试连接服务器的套接字。

当连接建立时，服务器会创建一个 Socket 对象。客户端和服务器现在可以通过对 Socket 对象的写入和读取来进行通信。

java.net.Socket 类代表一个套接字，并且 java.net.ServerSocket 类为服务器程序提供了一种来监听客户端，并与他们建立连接的机制。

以下步骤在两台计算机之间使用套接字建立TCP连接时会出现：

  • 服务器实例化一个 ServerSocket 对象，表示通过服务器上的端口通信。
  • 服务器调用 ServerSocket 类的 accept() 方法，该方法将一直等待，直到客户端连接到服务器上给定的端口。
  • 服务器正在等待时，一个客户端实例化一个 Socket 对象，指定服务器名称和端口号来请求连接。
  • Socket 类的构造函数试图将客户端连接到指定的服务器和端口号。如果通信被建立，则在客户端创建一个 Socket 对象能够与服务器进行通信。
  • 在服务器端，accept() 方法返回服务器上一个新的 socket 引用，该 socket 连接到客户端的 socket。

连接建立后，通过使用 I/O 流在进行通信，每一个socket都有一个输出流和一个输入流，客户端的输出流连接到服务器端的输入流，而客户端的输入流连接到服务器端的输出流。

TCP 是一个双向的通信协议，因此数据可以通过两个数据流在同一时间发送.以下是一些类提供的一套完整的有用的方法来实现 socket。

ServerSocket 类的方法

服务器应用程序通过使用 java.net.ServerSocket 类以获取一个端口,并且侦听客户端请求。

ServerSocket 类有四个构造方法：

序号

方法描述

1

public ServerSocket(int port) throws IOException

创建绑定到特定端口的服务器套接字。

2

public ServerSocket(int port, int backlog) throws IOException

利用指定的 backlog 创建服务器套接字并将其绑定到指定的本地端口号。

3

public ServerSocket(int port, int backlog, InetAddress address) throws IOException

使用指定的端口、侦听 backlog 和要绑定到的本地 IP 地址创建服务器。

4

public ServerSocket() throws IOException

创建非绑定服务器套接字。

创建非绑定服务器套接字。 如果 ServerSocket 构造方法没有抛出异常，就意味着你的应用程序已经成功绑定到指定的端口，并且侦听客户端请求。

这里有一些 ServerSocket 类的常用方法：

序号

方法描述

1

public int getLocalPort()

  返回此套接字在其上侦听的端口。

2

public Socket accept() throws IOException

侦听并接受到此套接字的连接。

3

public void setSoTimeout(int timeout)

 通过指定超时值启用/禁用 SO_TIMEOUT，以毫秒为单位。

4

public void bind(SocketAddress host, int backlog)

将 ServerSocket 绑定到特定地址（IP 地址和端口号）。

Socket 类的方法

java.net.Socket 类代表客户端和服务器都用来互相沟通的套接字。客户端要获取一个 Socket 对象通过实例化 ，而 服务器获得一个 Socket 对象则通过 accept() 方法的返回值。

Socket 类有五个构造方法.

序号

方法描述

1

public Socket(String host, int port) throws UnknownHostException, IOException.

创建一个流套接字并将其连接到指定主机上的指定端口号。

2

public Socket(InetAddress host, int port) throws IOException

创建一个流套接字并将其连接到指定 IP 地址的指定端口号。

3

public Socket(String host, int port, InetAddress localAddress, int localPort) throws IOException.

创建一个套接字并将其连接到指定远程主机上的指定远程端口。

4

public Socket(InetAddress host, int port, InetAddress localAddress, int localPort) throws IOException.

创建一个套接字并将其连接到指定远程地址上的指定远程端口。

5

public Socket()

通过系统默认类型的 SocketImpl 创建未连接套接字

当 Socket 构造方法返回，并没有简单的实例化了一个 Socket 对象，它实际上会尝试连接到指定的服务器和端口。

下面列出了一些感兴趣的方法，注意客户端和服务器端都有一个 Socket 对象，所以无论客户端还是服务端都能够调用这些方法。

序号

方法描述

1

public void connect(SocketAddress host, int timeout) throws IOException

将此套接字连接到服务器，并指定一个超时值。

2

public InetAddress getInetAddress()

 返回套接字连接的地址。

3

public int getPort()

返回此套接字连接到的远程端口。

4

public int getLocalPort()

返回此套接字绑定到的本地端口。

5

public SocketAddress getRemoteSocketAddress()

返回此套接字连接的端点的地址，如果未连接则返回 null。

6

public InputStream getInputStream() throws IOException

返回此套接字的输入流。

7

public OutputStream getOutputStream() throws IOException

返回此套接字的输出流。

8

public void close() throws IOException

关闭此套接字。

InetAddress 类的方法

这个类表示互联网协议(IP)地址。下面列出了 Socket 编程时比较有用的方法：

序号

方法描述

1

static InetAddress getByAddress(byte[] addr)

在给定原始 IP 地址的情况下，返回 InetAddress 对象。

2

static InetAddress getByAddress(String host, byte[] addr)

根据提供的主机名和 IP 地址创建 InetAddress。

3

static InetAddress getByName(String host)

在给定主机名的情况下确定主机的 IP 地址。

4

String getHostAddress() 

返回 IP 地址字符串（以文本表现形式）。

5

String getHostName() 

 获取此 IP 地址的主机名。

6

static InetAddress getLocalHost()

返回本地主机。

7

String toString()

将此 IP 地址转换为 String。

Socket 客户端实例

如下的 GreetingClient 是一个客户端程序，该程序通过 socket 连接到服务器并发送一个请求，然后等待一个响应。

GreetingClient.java 文件代码：

//importjava.net.*;
importjava.io.*;
 
publicclassGreetingClient{publicstaticvoidmain(String[]args){StringserverNameargs[0];
      intportInteger.parseInt(args[1]);
      try{System.out.println("连接到主机："serverName""port);
         SocketclientnewSocket(serverName, port);
         System.out.println("远程主机地址："client.getRemoteSocketAddress());
         OutputStreamoutToServerclient.getOutputStream();
         DataOutputStreamoutnewDataOutputStream(outToServer);
 
         out.writeUTF("Hello from "client.getLocalSocketAddress());
         InputStreaminFromServerclient.getInputStream();
         DataInputStreaminnewDataInputStream(inFromServer);
         System.out.println("服务器响应： "in.readUTF());
         client.close();
      }catch(IOExceptione){e.printStackTrace();
      }}}

Socket 服务端实例

如下的GreetingServer 程序是一个服务器端应用程序，使用 Socket 来监听一个指定的端口。

GreetingServer.java 文件代码：

//importjava.net.*;
importjava.io.*;
 
publicclassGreetingServerextendsThread{privateServerSocketserverSocket;
   
   publicGreetingServer(intport)throwsIOException{serverSocketnewServerSocket(port);
      serverSocket.setSoTimeout(10000);
   }publicvoidrun(){while(true){try{System.out.println("等待远程连接，端口号为："serverSocket.getLocalPort()"...");
            SocketserverserverSocket.accept();
            System.out.println("远程主机地址："server.getRemoteSocketAddress());
            DataInputStreaminnewDataInputStream(server.getInputStream());
            System.out.println(in.readUTF());
            DataOutputStreamoutnewDataOutputStream(server.getOutputStream());
            out.writeUTF("谢谢连接我："server.getLocalSocketAddress()"\nGoodbye!");
            server.close();
         }catch(SocketTimeoutExceptions){System.out.println("Socket timed out!");
            break;
         }catch(IOExceptione){e.printStackTrace()