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您不知道的 5 件事……: Java Collections API，第 2 部分

 阿青哥Joe 2018-06-30


您覺(jué)得自己懂 Java 編程？事實(shí)上，大多數(shù)程序員對(duì)于 Java 平臺(tái)都是淺嘗輒止，只學(xué)習(xí)了足以完成手頭上任務(wù)的知識(shí)而已。在本 系列 中，Ted Neward 深入挖掘 Java 平臺(tái)的核心功能，揭示一些鮮為人知的事實(shí)，幫助您解決最棘手的編程困難。

java.util 中的 Collections 類(lèi)旨在通過(guò)取代數(shù)組提高 Java 性能。如您在 第 1 部分 中了解到的，它們也是多變的，能夠以各種方式定制和擴(kuò)展，幫助實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、簡(jiǎn)潔的代碼。

Collections 非常強(qiáng)大，但是很多變：使用它們要小心，濫用它們會(huì)帶來(lái)風(fēng)險(xiǎn)。

1. List 不同于數(shù)組

Java 開(kāi)發(fā)人員常常錯(cuò)誤地認(rèn)為 ArrayList 就是 Java 數(shù)組的替代品。Collections 由數(shù)組支持，在集合內(nèi)隨機(jī)查找內(nèi)容時(shí)性能較好。與數(shù)組一樣，集合使用整序數(shù)獲取特定項(xiàng)。但集合不是數(shù)組的簡(jiǎn)單替代。

要明白數(shù)組與集合的區(qū)別需要弄清楚順序 和位置 的不同。例如，List 是一個(gè)接口，它保存各個(gè)項(xiàng)被放入集合中的順序，如清單 1 所示：

清單 1. 可變鍵值
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import java.util.*;
public class OrderAndPosition
{
    public static <T> void dumpArray(T[] array)
    {
        System.out.println("=============");
        for (int i=0; i<array.length; i++)
            System.out.println("Position " + i + ": " + array[i]);
    }
    public static <T> void dumpList(List<T> list)
    {
        System.out.println("=============");
        for (int i=0; i<list.size(); i++)
            System.out.println("Ordinal " + i + ": " + list.get(i));
    }
     
    public static void main(String[] args)
    {
        List<String> argList = new ArrayList<String>(Arrays.asList(args));
        dumpArray(args);
        args[1] = null;
        dumpArray(args);
         
        dumpList(argList);
        argList.remove(1);
        dumpList(argList);
    }
}

當(dāng)?shù)谌齻€(gè)元素從上面的 List 中被移除時(shí)，其 “后面” 的各項(xiàng)會(huì)上升填補(bǔ)空位。很顯然，此集合行為與數(shù)組的行為不同（事實(shí)上，從數(shù)組中移除項(xiàng)與從 List 中移除它也不完全是一回事兒 — 從數(shù)組中 “移除” 項(xiàng)意味著要用新引用或 null 覆蓋其索引槽）。

2. 令人驚訝的 Iterator！

無(wú)疑 Java 開(kāi)發(fā)人員很喜愛(ài) Java 集合 Iterator，但是您最后一次使用 Iterator 接口是什么時(shí)候的事情了？可以這么說(shuō)，大部分時(shí)間我們只是將 Iterator 隨意放到 for() 循環(huán)或加強(qiáng) for() 循環(huán)中，然后就繼續(xù)其他操作了。

但是進(jìn)行深入研究后，您會(huì)發(fā)現(xiàn) Iterator 實(shí)際上有兩個(gè)十分有用的功能。

第一，Iterator 支持從源集合中安全地刪除對(duì)象，只需在 Iterator 上調(diào)用 remove() 即可。這樣做的好處是可以避免 ConcurrentModifiedException，這個(gè)異常顧名思意：當(dāng)打開(kāi) Iterator 迭代集合時(shí)，同時(shí)又在對(duì)集合進(jìn)行修改。有些集合不允許在迭代時(shí)刪除或添加元素，但是調(diào)用 Iterator 的 remove() 方法是個(gè)安全的做法。

第二，Iterator 支持派生的（并且可能是更強(qiáng)大的）兄弟成員。ListIterator，只存在于 List 中，支持在迭代期間向 List 中添加或刪除元素，并且可以在 List 中雙向滾動(dòng)。

雙向滾動(dòng)特別有用，尤其是在無(wú)處不在的 “滑動(dòng)結(jié)果集” 操作中，因?yàn)榻Y(jié)果集中只能顯示從數(shù)據(jù)庫(kù)或其他集合中獲取的眾多結(jié)果中的 10 個(gè)。它還可以用于 “反向遍歷” 集合或列表，而無(wú)需每次都從前向后遍歷。插入 ListIterator 比使用向下計(jì)數(shù)整數(shù)參數(shù) List.get() “反向” 遍歷 List 容易得多。

3. 并非所有 Iterable 都來(lái)自集合

Ruby 和 Groovy 開(kāi)發(fā)人員喜歡炫耀他們?nèi)绾文艿麄€(gè)文本文件并通過(guò)一行代碼將其內(nèi)容輸出到控制臺(tái)。通常，他們會(huì)說(shuō)在 Java 編程中完成同樣的操作需要很多行代碼：打開(kāi) FileReader，然后打開(kāi) BufferedReader，接著創(chuàng)建 while() 循環(huán)來(lái)調(diào)用 getLine()，直到它返回 null。當(dāng)然，在 try/catch/finally 塊中必須要完成這些操作，它要處理異常并在結(jié)束時(shí)關(guān)閉文件句柄。

這看起來(lái)像是一個(gè)沒(méi)有意義的學(xué)術(shù)上的爭(zhēng)論，但是它也有其自身的價(jià)值。

他們（包括相當(dāng)一部分 Java 開(kāi)發(fā)人員）不知道并不是所有 Iterable 都來(lái)自集合。Iterable 可以創(chuàng)建 Iterator，該迭代器知道如何憑空制造下一個(gè)元素，而不是從預(yù)先存在的 Collection 中盲目地處理：

清單 2. 迭代文件
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// FileUtils.java
import java.io.*;
import java.util.*;
public class FileUtils
{
    public static Iterable<String> readlines(String filename)
        throws IOException
    {
        final FileReader fr = new FileReader(filename);
        final BufferedReader br = new BufferedReader(fr);
         
        return new Iterable<String>() {
            public <code>Iterator</code><String> iterator() {
                return new <code>Iterator</code><String>() {
                    public boolean hasNext() {
                        return line != null;
                    }
                    public String next() {
                        String retval = line;
                        line = getLine();
                        return retval;
                    }
                    public void remove() {
                        throw new UnsupportedOperationException();
                    }
                    String getLine() {
                        String line = null;
                        try {
                            line = br.readLine();
                        }
                        catch (IOException ioEx) {
                            line = null;
                        }
                        return line;
                    }
                    String line = getLine();
                };
            }  
        };
    }
}
//DumpApp.java
import java.util.*;
public class DumpApp
{
    public static void main(String[] args)
        throws Exception
    {
        for (String line : FileUtils.readlines(args[0]))
            System.out.println(line);
    }
}

此方法的優(yōu)勢(shì)是不會(huì)在內(nèi)存中保留整個(gè)內(nèi)容，但是有一個(gè)警告就是，它不能 close() 底層文件句柄（每當(dāng) readLine() 返回 null 時(shí)就關(guān)閉文件句柄，可以修正這一問(wèn)題，但是在 Iterator 沒(méi)有結(jié)束時(shí)不能解決這個(gè)問(wèn)題）。

4. 注意可變的 hashCode()

Map 是很好的集合，為我們帶來(lái)了在其他語(yǔ)言（比如 Perl）中經(jīng)?？梢?jiàn)的好用的鍵/值對(duì)集合。JDK 以 HashMap 的形式為我們提供了方便的 Map 實(shí)現(xiàn)，它在內(nèi)部使用哈希表實(shí)現(xiàn)了對(duì)鍵的對(duì)應(yīng)值的快速查找。但是這里也有一個(gè)小問(wèn)題：支持哈希碼的鍵依賴(lài)于可變字段的內(nèi)容，這樣容易產(chǎn)生 bug，即使最耐心的 Java 開(kāi)發(fā)人員也會(huì)被這些 bug 逼瘋。

假設(shè)清單 3 中的 Person 對(duì)象有一個(gè)常見(jiàn)的 hashCode() （它使用 firstName、lastName 和 age 字段 — 所有字段都不是 final 字段 — 計(jì)算 hashCode()），對(duì) Map 的 get() 調(diào)用會(huì)失敗并返回 null：

清單 3. 可變 hashCode() 容易出現(xiàn) bug
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// Person.java
import java.util.*;
public class Person
    implements Iterable<Person>
{
    public Person(String fn, String ln, int a, Person... kids)
    {
        this.firstName = fn; this.lastName = ln; this.age = a;
        for (Person kid : kids)
            children.add(kid);
    }
     
    // ...
     
    public void setFirstName(String value) { this.firstName = value; }
    public void setLastName(String value) { this.lastName = value; }
    public void setAge(int value) { this.age = value; }
     
    public int hashCode() {
        return firstName.hashCode() & lastName.hashCode() & age;
    }
    // ...
    private String firstName;
    private String lastName;
    private int age;
    private List<Person> children = new ArrayList<Person>();
}
// MissingHash.java
import java.util.*;
public class MissingHash
{
    public static void main(String[] args)
    {
        Person p1 = new Person("Ted", "Neward", 39);
        Person p2 = new Person("Charlotte", "Neward", 38);
        System.out.println(p1.hashCode());
         
        Map<Person, Person> map = new HashMap<Person, Person>();
        map.put(p1, p2);
         
        p1.setLastName("Finkelstein");
        System.out.println(p1.hashCode());
         
        System.out.println(map.get(p1));
    }
}

很顯然，這種方法很糟糕，但是解決方法也很簡(jiǎn)單：永遠(yuǎn)不要將可變對(duì)象類(lèi)型用作 HashMap 中的鍵。

5. equals() 與 Comparable

在瀏覽 Javadoc 時(shí)，Java 開(kāi)發(fā)人員常常會(huì)遇到 SortedSet 類(lèi)型（它在 JDK 中唯一的實(shí)現(xiàn)是 TreeSet）。因?yàn)?SortedSet 是 java.util 包中唯一提供某種排序行為的 Collection，所以開(kāi)發(fā)人員通常直接使用它而不會(huì)仔細(xì)地研究它。清單 4 展示了：

清單 4. SortedSet，我很高興找到了它！
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import java.util.*;
public class UsingSortedSet
{
    public static void main(String[] args)
    {
        List<Person> persons = Arrays.asList(
            new Person("Ted", "Neward", 39),
            new Person("Ron", "Reynolds", 39),
            new Person("Charlotte", "Neward", 38),
            new Person("Matthew", "McCullough", 18)
        );
        SortedSet ss = new TreeSet(new Comparator<Person>() {
            public int compare(Person lhs, Person rhs) {
                return lhs.getLastName().compareTo(rhs.getLastName());
            }
        });
        ss.addAll(perons);
        System.out.println(ss);
    }
}

使用上述代碼一段時(shí)間后，可能會(huì)發(fā)現(xiàn)這個(gè) Set 的核心特性之一：它不允許重復(fù)。該特性在 Set Javadoc 中進(jìn)行了介紹。Set 是不包含重復(fù)元素的集合。更準(zhǔn)確地說(shuō)，set 不包含成對(duì)的 e1 和 e2 元素，因此如果 e1.equals(e2)，那么最多包含一個(gè) null 元素。

但實(shí)際上似乎并非如此 — 盡管 清單 4 中沒(méi)有相等的 Person 對(duì)象（根據(jù) Person 的 equals() 實(shí)現(xiàn)），但在輸出時(shí)只有三個(gè)對(duì)象出現(xiàn)在 TreeSet 中。

與 set 的有狀態(tài)本質(zhì)相反，TreeSet 要求對(duì)象直接實(shí)現(xiàn) Comparable 或者在構(gòu)造時(shí)傳入 Comparator，它不使用 equals() 比較對(duì)象；它使用 Comparator/Comparable 的 compare 或 compareTo 方法。

因此存儲(chǔ)在 Set 中的對(duì)象有兩種方式確定相等性：大家常用的 equals() 方法和 Comparable/Comparator 方法，采用哪種方法取決于上下文。

更糟的是，簡(jiǎn)單的聲明兩者相等還不夠，因?yàn)橐耘判驗(yàn)槟康牡谋容^不同于以相等性為目的的比較：可以想象一下按姓排序時(shí)兩個(gè) Person 相等，但是其內(nèi)容卻并不相同。

一定要明白 equals() 和 Comparable.compareTo() 兩者之間的不同 — 實(shí)現(xiàn) Set 時(shí)會(huì)返回 0。甚至在文檔中也要明確兩者的區(qū)別。

結(jié)束語(yǔ)

Java Collections 庫(kù)中有很多有用之物，如果您能加以利用，它們可以讓您的工作更輕松、更高效。但是發(fā)掘這些有用之物可能有點(diǎn)復(fù)雜，比如只要您不將可變對(duì)象類(lèi)型作為鍵，您就可以用自己的方式使用 HashMap。

至此我們挖掘了 Collections 的一些有用特性，但我們還沒(méi)有挖到金礦：Concurrent Collections，它在 Java 5 中引入。本 系列 的后 5 個(gè)竅門(mén)將關(guān)注 java.util.concurrent。

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