Java集合【6.1】-- Collection接口源码详解
一、Collection接口简介
collection在java集合中，算是顶级接口，它继承了iterable接口，不能实例化，只能实例化其子类。之所以需要这样一个接口，是因为java作为面向对象，总是避免不了处理多个对象的情况，要处理多个对象，首先需要容器存储，这个容器就是集合。为什么有了数组，还需要集合，因为数组的功能单一，长度不可变，而有些集合实现类则是对数组操作的封装。
Collection集合和数组的区别：
- 集合长度可以变，数组是定长的
- 集合存储的元素只能是引用类型，而数组则可以是基本类型
- 数组只能执行基本操作，而集合功能经过拓展，更加丰富。
二、Collection源码分析
Collection继承于Iterable接口，而Iterable接口，是集合的顶级接口，没有之一，Iterable接口定义的功能是可以迭代，也就是获取迭代器iterator的功能，因此Collection以及其实现类也间接获得迭代的功能。
为什么需要这样子定义呢？我陷入了深深地思考...🤔
其实，这也算是哲学问题，java的类的设计是经过很长时间的考验以及调整形成的，平衡修改以及耦合等各方面的原因，结构更加清晰，维护成本更低，逻辑性更强。这些接口就是一个个标准或者规范，其子类就是不断拓展功能，这些接口的形成是一种抽象，将能迭代事物抽象成为迭代器iterator,将获取迭代器，也就是迭代能力抽象成iterable。
Collection则是获得迭代能力的接口之一，其实Map的实现类里面也是有使用到iterable接口，几乎所有的集合实现类都是需要遍历元素的，所以这个iterable也是必须存在的，存在即合理。
下面看Collection接口以及iterable接口的方法对比：
从上面的图我们可以看出，iterable接口功能主要是
- 获取迭代器
iterator - foreach()遍历
- 获取可切分迭代器
Spliterator
Collection接口在此基础上进行拓展，源码接口如下：
boolean add(Object o) //添加元素
boolean remove(Object o) //移除元素
boolean addAll(Collection c) //批量添加
boolean removeAll(Collection c) //批量移除
void retainAll(Collection c) // 移除在c中不存在的元素
void clear() //清空集合
int size() //集合大小
boolean isEmpty() //是否为空
boolean contains(Object o) //是否包含在集合中
boolean containsAll(Collection c) //是否包含所有的元素
Iterator<E> iterator() // 获取迭代器
Object[] toArray() // 转成数组
default boolean removeIf(Predicate<? super E> filter) {} // 删除集合中复合条件的元素，删除成功返回true
boolean equals(Object o)
int hashCode()
default Spliterator<E> spliterator() {} //获取可分割迭代器
default Stream<E> stream() {} //获取流
default Stream<E> parallelStream() {} //获取并行流
里面获取并行流的方法parallelStream(),其实就是通过默认的ForkJoinPool（主要用来使用分治法(Divide-and-Conquer Algorithm)来解决问题），提高多线程任务的速度。我们可以使用ArrayList来演示一下平行处理能力。例如下面的例子，输出的顺序就不一定是1,2,3...，可能是乱序的，这是因为任务会被分成多个小任务，任务执行是没有特定的顺序的。
List<Integer> list = Arrays.asList(1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9);
list.parallelStream()
.forEach(out::println);
上面源代码可以看出，Collection接口定义了功能规范，有以下功能方法：
- 添加元素
- 删除元素
- 判断是否包含/是否全部包含/是否为空
- 获取迭代器/可分割迭代器
- 获取长度
- 取交集
- 获取流/并行流
我们遍历元素的时候可以获取Iterator,但是具体的实现是以子类的特性去实现的，比如ArrayList是用内部类的方式实现了Iterator接口。
三、Collection的子类以及子类的实现
继承Collection的子类关系如下：
上面的类图已经足够清楚，下面是一些简单的概括（上面的类型是使用IDEA的类图功能自动生成，简直不能太好用🤣🤣🤣感觉发现了新大陆）
3.1 List extend Collection
继承于Collection接口，有顺序，取出的顺序与存入的顺序一致，有索引，可以根据索引获取数据，允许存储重复的元素，可以放入为null的元素。
最常见的三个实现类就是ArrayList，Vector,LinkedList，ArrayList和Vector都是内部封装了对数组的操作，唯一不同的是，Vector是线程安全的，而ArrayList不是，理论上ArrayList操作的效率会比Vector好一些。
里面是接口定义的方法：
int size(); //获取大小
boolean isEmpty(); //判断是否为空
boolean contains(Object o); //是否包含某个元素
Iterator<E> iterator(); //获取迭代器
Object[] toArray(); // 转化成为数组（对象）
<T> T[] toArray(T[] a); // 转化为数组（特定位某个类）
boolean add(E e); //添加
boolean remove(Object o); //移除元素
boolean containsAll(Collection<?> c); // 是否包含所有的元素
boolean addAll(Collection<? extends E> c); //批量添加
boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c); //批量添加，指定开始的索引
boolean removeAll(Collection<?> c); //批量移除
boolean retainAll(Collection<?> c); //将c中不包含的元素移除
default void replaceAll(UnaryOperator<E> operator) {}//替换
default void sort(Comparator<? super E> c) {}// 排序
void clear();//清除所有的元素
boolean equals(Object o);//是否相等
int hashCode(); //计算获取hash值
E get(int index); //通过索引获取元素
E set(int index, E element);//修改元素
void add(int index, E element);//在指定位置插入元素
E remove(int index);//根据索引移除某个元素
int indexOf(Object o); //根据对象获取索引
int lastIndexOf(Object o); //获取对象元素的最后一个元素
ListIterator<E> listIterator(); // 获取List迭代器
ListIterator<E> listIterator(int index); // 根据索引获取当前的位置的迭代器
List<E> subList(int fromIndex, int toIndex); //截取某一段数据
default Spliterator<E> spliterator(){} //获取可切分迭代器
上面的方法都比较简单，值得一提的是里面出现了ListIterator，这是一个功能更加强大的迭代器，继承于Iterator,只能用于List类型的访问，拓展功能例如：通过调用listIterator()方法获得一个指向List开头的ListIterator，也可以调用listIterator(n)获取一个指定索引为n的元素的ListIterator,这是一个可以双向移动的迭代器。
操作数组索引的时候需要注意，由于List的实现类底层很多都是数组，所以索引越界会报错IndexOutOfBoundsException。
说起List的实现子类：
- ArrayList：底层存储结构是数组结构，增加删除比较慢，查找比较快，是最常用的List集合。线程不安全。
- LinkedList：底层是链表结构，增加删除比较快，但是查找比较慢。线程不安全。
- Vector：和ArrayList差不多，但是是线程安全的，即同步。
3.2 Set extend Collection
Set接口，不允许放入重复的元素，也就是如果相同，则只存储其中一个。
下面是源码方法：
int size(); //获取大小
boolean isEmpty(); //是否为空
boolean contains(Object o); //是否包含某个元素
Iterator<E> iterator(); //获取迭代器
Object[] toArray(); //转化成为数组
<T> T[] toArray(T[] a); //转化为特定类的数组
boolean add(E e); //添加元素
boolean remove(Object o); //移除元素
boolean containsAll(Collection<?> c); //是否包含所有的元素
boolean addAll(Collection<? extends E> c); //批量添加
boolean retainAll(Collection<?> c); //移除所有不存在于c集合中的元素
boolean removeAll(Collection<?> c); //移除所有在c集合中存在的元素
void clear(); //清空集合
boolean equals(Object o); //是否相等
int hashCode(); //计算hashcode
default Spliterator<E> spliterator() {} //获取可分割迭代器
主要的子类：
- HashSet
- 允许空值
- 通过HashCode方法计算获取hash值，确定存储位置，无序。
- 底层是哈希表，一个元素为链表的数组
- LinkedHashSet
- HashSet的子类
- 有顺序
- 底层由哈希表组成
- TreeSet
- 如果无参数构建Set，则需要实现Comparable方法。
- 亦可以创建时传入比较方法，用于排序。
3.3 Queue extend Collection
队列接口，在Collection接口的接触上添加了增删改查接口定义，一般默认是先进先出，即FIFO，除了优先队列和栈，优先队列是自己定义了排序的优先顺序，队列中不允许放入null元素。
下面是源码：
boolean add(E e); //插入一个元素到队列，失败时返回IllegalStateException （如果队列容量不够）
boolean offer(E e); //插入一个元素到队列，失败时返回false
E remove(); //移除队列头的元素并移除
E poll(); //返回并移除队列的头部元素，队列为空时返回null
E element(); //返回队列头元素
E peek(); //返回队列头部的元素，队列为空时返回null
主要的子接口以及实现类有：
- Deque（接口）:Queue的子接口，双向队列，可以从两边存取
- ArrayDeque：Deque的实现类，底层用数组实现，数据存贮在数组中
- AbstractQueue：Queue的子接口，仅实现了add、remove和element三个方法
- PriorityQueue：按照默认或者自己定义的顺序来排序元素，底层使用堆（完全二叉树）实现，使用动态数组实现，
- BlockingQueue： 在java.util.concurrent包中，阻塞队列，满足当前无法处理的操作。
对于Collection集合我们应该使用哪一个？
每个实现都有自己的特点，重要的是知道当前数据以及业务的特点，选取最适合的集合类进行数据操作。
- 元素唯一（Set）
- 需要排序
- 唯一，有序 （自定义排序）：TreeSet（速度较慢）
- FIFO，按照插入顺序，唯一：LinkedHashSet（速度较快）
- 不需要排序：HashSet（速度最快）
- 需要排序
- 元素唯一
- 列表：List
- 线程安全：Vector
- 接受线程不安全
- 查询比较多：ArrayList
- 增加删除操作较多：LinkedList
- 排队
- 普通排队 ：Queue的子类
- 两端都可以排队：ArrayDeque
- 按照自己定义的规则排序：PriorityQueue
- 处理排队当前无法处理太多请求（相当于缓冲）：阻塞队列接口BlockingQueue
- 列表：List
四、Collection和Map的辨析
Collection接口是存储单列元素，而Map是键值对<Key,Value>，也就是存储了双列元素。Collection接口继承了Iterable接口，而Map则不是，Map是在各自的实现类中才用内部类的方式实现Iterator接口，例如HashMap，key或者value或者它们的组合entry都可以使用迭代器进行遍历。- 两个的子类其实是有交集的，比如
HashSet的底层实现其实就是定义了一个HashMap，TreeSet同样依赖于Map接口的子实现类TreeMap。
Map集合可以存储键值对，可以获取所有的键，或者值或者键值对，键不允许重复，但是值可以重复。
随便说说Map相关的子类：
- HashTable:
- 源于JDK1.1，底层使用数组和链表
- 线程安全，不允许null作为key或者value
- HashMap:
- 源于JDK1.2，JDK1.7以及之前使用数组+链表实现，JDK1.8使用数组+链表/红黑树
- 线程不安全
- LinkedHashMap:
- 保存了插入的顺序，可以按照顺序遍历
- TreeMap:
- 实现了SortMap接口，可以把保存的记录按照键排序
- 底层是用红黑树实现
五、Collection和Collections的辨析
（1）.Collection是集合的顶级接口之一，衍生出了Set，List，Queue等一系列接口以及实现类。而Collections是一个辅助类，就是实现一些排序，搜索，线程安全等功能，它主要体现的功能是操作集合，而Collection则是集合本身。
（2）.Collection是接口，其本身不能实例化，但是可以实例化为其子类或者实现类，但是Collections是包装类，一般不会实例化，直接调用static方法。
Collections接口主要提供了以下操作，只展示了部分，详细需要后面文章说：
- Sort（排序）：
public static <T extends Comparable<? super T>> void sort(List<T> list)，元素需要实现Comparable接口，按照比较器进行排序。 - binarySearch（二分搜索）:
public static <T>int binarySearch(List<? extends Comparable<? super T>> list, T key), - reverse(反转)：
public static void reverse(List<?> list)反转顺序 - Shuffling(混排)：
public static void shuffle(List<?> list),将list的元素随机打乱。 - 交换（swap）：
public static void swap(List<?> list, int i, int j)交换两个索引的元素 - 拷贝（copy）:
public static <T> void copy(List<? super T> dest, List<? extends T> src)，copy出一个内容一致的list。 - 返回最小的元素（min）：所谓大小，根据指定的比较器决定，
static <T extends Object & Comparable<? super T>> T min(Collection<? extends T> coll) - 返回最大的元素（max）：
static <T extends Object & Comparable<? super T>> T max(Collection<? extends T> coll) - 旋转（Rotate）：将一个List旋转，假如有个序列列list是[1,2,3,4]，调用方法Collections.rotate(list, 1)后，得到list就变成[4,1,2,3]，
public static void rotate(List<?> list, int distance) - 替换所有元素（replaceAll）：
public static <T> boolean replaceAll(List<T> list, T oldVal, T newVal) - 获取元素出现最后的索引（lastIndexOfSubList）：
public static int lastIndexOfSubList(List<?> source, List<?> target)
六、总结
Collection接口继承了iterable接口，是集合的顶级接口之一，衍生接口有List,Set,Queue等，主要定义了元素的基本操作，删除，添加等等方法，迭代一个Collection可以使用Iterator，但是Collection本身不能实例化。
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