Java编程的逻辑 (52) - 抽象容器类
从38节到51节，我们介绍的都是具体的容器类，上节我们提到，所有具体容器类其实都不是从头构建的，它们都继承了一些抽象容器类。这些抽象类提供了容器接口的部分实现，方便了Java具体容器类的实现，理解它们有助于进一步理解具体容器类。
此外，通过继承抽象类，自定义的类也可以更为容易的实现容器接口。为什么需要实现容器接口呢？至少有两个原因：
- 容器类是一个大家庭，它们之间可以方便的协作，比如很多方法的参数和返回值都是容器接口对象，实现了容器接口，就可以方便的参与进这种协作。
- Java有一个类Collections，提供了很多针对容器接口的通用算法和功能，实现了容器接口，就可以直接利用Collections中的算法和功能。
那，具体都有哪些抽象类？它们都提供了哪些基础功能？如何进行扩展？下面就来探讨这些问题。
我们先来看都有哪些抽象类，以及它们与之前介绍的容器类的关系。
抽象容器类
抽象容器类与之前介绍的接口和具体容器类的关系如下图所示：
虚线框表示接口，有Collection, List, Set, Queue, Deque和Map。
有六个抽象容器类：
- AbstractCollection: 实现了Collection接口，被抽象类AbstractList, AbstractSet, AbstractQueue继承，ArrayDeque也继承自AbstractCollection (图中未画出)。
- AbstractList：父类是AbstractCollection，实现了List接口，被ArrayList, AbstractSequentialList继承。
- AbstractSequentialList：父类是AbstractList，被LinkedList继承。
- AbstractMap：实现了Map接口，被TreeMap, HashMap, EnumMap继承。
- AbstractSet：父类是AbstractCollection，实现了Set接口，被HashSet, TreeSet和EnumSet继承。
- AbstractQueue：父类是AbstractCollection，实现了Queue接口，被PriorityQueue继承。
下面，我们分别来介绍这些抽象类。
AbstractCollection
功能说明
AbstractCollection提供了Collection接口的基础实现，具体来说，它实现了如下方法：
public boolean addAll(Collection<? extends E> c) public boolean contains(Object o) public boolean containsAll(Collection<?> c) public boolean isEmpty() public boolean remove(Object o) public boolean removeAll(Collection<?> c) public boolean retainAll(Collection<?> c) public void clear() public Object[] toArray() public <T> T[] toArray(T[] a) public String toString()
AbstractCollection又不知道数据是怎么存储的，它是如何实现这些方法的呢？它依赖于如下更为基础的方法：
public boolean add(E e) public abstract int size(); public abstract Iterator<E> iterator();
add方法的默认实现是：
public boolean add(E e) {
throw new UnsupportedOperationException();
}
抛出"操作不支持"异常，如果子类集合是不可被修改的，这个默认实现就可以了，否则，必须重写add方法。addAll方法的实现就是循环调用add方法。
size方法是抽象方法，子类必须重写。isEmpty方法就是检查size方法的返回值是否为0。toArray方法依赖size方法的返回值分配数组大小。
iterator方法也是抽象方法，它返回一个实现了迭代器接口的对象，子类必须重写。我们知道，迭代器定义了三个方法：
boolean hasNext(); E next(); void remove();
如果子类集合是不可被修改的，迭代器不用实现remove方法，否则，三个方法都必须实现。
AbstractCollection中的大部分方法都是基于迭代器的方法实现的，比如contains方法，其代码为：
public boolean contains(Object o) {
Iterator<E> it = iterator();
if (o==null) {
while (it.hasNext())
if (it.next()==null)
return true;
} else {
while (it.hasNext())
if (o.equals(it.next()))
return true;
}
return false;
}
通过迭代器方法循环进行比较。再比如retainAll方法，其代码为：
public boolean retainAll(Collection<?> c) {
boolean modified = false;
Iterator<E> it = iterator();
while (it.hasNext()) {
if (!c.contains(it.next())) {
it.remove();
modified = true;
}
}
return modified;
}
也是通过迭代器方法进行循环，通过迭代器的remove方法删除不在参数容器c中的每一个元素。
除了接口中的方法，Collection接口文档建议，每个Collection接口的实现类都应该提供至少两个标准的构造方法，一个是默认构造方法，另一个接受一个Collection类型的参数。
扩展例子
具体如何通过继承AbstractCollection来实现自定义容器呢？我们通过一个简单的例子来说明。我们使用在泛型第一节自己实现的动态数组容器类DynamicArray来实现一个简单的Collection。
DynamicArray当时没有实现根据索引添加和删除的方法，我们先来补充一下，补充代码为：
public class DynamicArray<E> {
//... ..
public E remove(int index) {
E oldValue = get(index);
int numMoved = size - index - 1;
if (numMoved > 0)
System.arraycopy(elementData, index + 1, elementData, index,
numMoved);
elementData[--size] = null;
return oldValue;
}
public void add(int index, E element) {
ensureCapacity(size + 1);
System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,
size - index);
elementData[index] = element;
size++;
}
}
基于DynamicArray，我们实现一个简单的迭代器类DynamicArrayIterator，代码为：
public class DynamicArrayIterator<E> implements Iterator<E>{
DynamicArray<E> darr;
int cursor;
int lastRet = -1;
public DynamicArrayIterator(DynamicArray<E> darr){
this.darr = darr;
}
@Override
public boolean hasNext() {
return cursor != darr.size();
}
@Override
public E next() {
int i = cursor;
if (i >= darr.size())
throw new NoSuchElementException();
cursor = i + 1;
lastRet = i;
return darr.get(i);
}
@Override
public void remove() {
if (lastRet < 0)
throw new IllegalStateException();
darr.remove(lastRet);
cursor = lastRet;
lastRet = -1;
}
}
代码很简单，就不解释了，为简单起见，我们没有实现实际容器类中的有关检测结构性变化的逻辑。
基于DynamicArray和DynamicArrayIterator，通过继承AbstractCollection，我们来实现一个简单的容器类MyCollection，代码为：
public class MyCollection<E> extends AbstractCollection<E> {
DynamicArray<E> darr;
public MyCollection(){
darr = new DynamicArray<>();
}
public MyCollection(Collection<? extends E> c){
this();
addAll(c);
}
@Override
public Iterator<E> iterator() {
return new DynamicArrayIterator<>(darr);
}
@Override
public int size() {
return darr.size();
}
@Override
public boolean add(E e) {
darr.add(e);
return true;
}
}
代码很简单，就是按建议提供了两个构造方法，并重写了size, add和iterator方法，这些方法内部使用了DynamicArray和DynamicArrayIterator。
AbstractList
功能说明
AbstractList提供了List接口的基础实现，具体来说，它实现了如下方法：
public boolean add(E e) public boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c) public void clear() public boolean equals(Object o) public int hashCode() public int indexOf(Object o) public Iterator<E> iterator() public int lastIndexOf(Object o) public ListIterator<E> listIterator() public ListIterator<E> listIterator(final int index) public List<E> subList(int fromIndex, int toIndex)
AbstractList是怎么实现这些方法的呢？它依赖于如下更为基础的方法：
public abstract int size(); abstract public E get(int index); public E set(int index, E element) public void add(int index, E element) public E remove(int index)
size方法与AbstractCollection一样，也是抽象方法，子类必须重写。get方法根据索引index获取元素，它也是抽象方法，子类必须重写。
set/add/remove方法都是修改容器内容，它们不是抽象方法，但默认实现都是抛出异常UnsupportedOperationException。如果子类容器不可被修改，这个默认实现就可以了。如果可以根据索引修改内容，应该重写set方法。如果容器是长度可变的，应该重写add和remove方法。
与AbstractCollection不同，继承AbstractList不需要实现迭代器类和相关方法，AbstractList内部实现了两个迭代器类，一个实现了Iterator接口，另一个实现了ListIterator接口，它们是基于以上的这些基础方法实现的，逻辑比较简单，就不赘述了。
扩展例子
具体如何扩展AbstractList呢？我们来看个例子，也通过DynamicArray来实现一个简单的List，代码为：
public class MyList<E> extends AbstractList<E> {
private DynamicArray<E> darr;
public MyList(){
darr = new DynamicArray<>();
}
public MyList(Collection<? extends E> c){
this();
addAll(c);
}
@Override
public E get(int index) {
return darr.get(index);
}
@Override
public int size() {
return darr.size();
}
@Override
public E set(int index, E element) {
return darr.set(index, element);
}
@Override
public void add(int index, E element) {
darr.add(index, element);
}
@Override
public E remove(int index) {
return darr.remove(index);
}
}
代码很简单，就是按建议提供了两个构造方法，并重写了size, get, set, add和remove方法，这些方法内部使用了DynamicArray。
AbstractSequentialList
功能说明
AbstractSequentialList是AbstractList的子类，也提供了List接口的基础实现，具体来说，它实现了如下方法：
public void add(int index, E element) public boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c) public E get(int index) public Iterator<E> iterator() public E remove(int index) public E set(int index, E element)
可以看出，它实现了根据索引位置进行操作的get/set/add/remove方法，它是怎么实现的呢？它是基于ListIterator接口的方法实现的，在AbstractSequentialList中，listIterator方法被重写为了一个抽象方法：
public abstract ListIterator<E> listIterator(int index)
子类必须重写该方法，并实现迭代器接口。
我们来看段具体的代码，看get/set/add/remove是如何基于ListIterator实现的，get方法代码为：
public E get(int index) {
try {
return listIterator(index).next();
} catch (NoSuchElementException exc) {
throw new IndexOutOfBoundsException("Index: "+index);
}
}
代码很简单，其他方法也都类似，就不赘述了
注意与AbstractList相区别，可以说，虽然AbstractSequentialList是AbstractList的子类，但实现逻辑和用法上，与AbstractList正好相反：
- AbstractList需要具体子类重写根据索引操作的方法get/set/add/remove，它提供了迭代器，但迭代器是基于这些方法实现的。它假定子类可以高效的根据索引位置进行操作，适用于内部是随机访问类型的存储结构(如数组)，比如ArrayList就继承自AbstractList。
- AbstractSequentialList需要具体子类重写迭代器，它提供了根据索引操作的方法get/set/add/remove，但这些方法是基于迭代器实现的。它适用于内部是顺序访问类型的存储结构(如链表)，比如LinkedList就继承自AbstractSequentialList。
扩展例子
具体如何扩展AbstractSequentialList呢？我们还是以DynamicArray举例来说明，在实际应用中，如果内部存储结构类似DynamicArray，应该继承AbstractList，这里主要是演示其用法。
扩展AbstractSequentialList需要实现ListIterator，前面介绍的DynamicArrayIterator只实现了Iterator接口，通过继承DynamicArrayIterator，我们实现一个新的实现了ListIterator接口的类DynamicArrayListIterator，代码如下：
public class DynamicArrayListIterator<E>
extends DynamicArrayIterator<E> implements ListIterator<E>{
public DynamicArrayListIterator(int index, DynamicArray<E> darr){
super(darr);
this.cursor = index;
}
@Override
public boolean hasPrevious() {
return cursor > 0;
}
@Override
public E previous() {
if (!hasPrevious())
throw new NoSuchElementException();
cursor--;
lastRet = cursor;
return darr.get(lastRet);
}
@Override
public int nextIndex() {
return cursor;
}
@Override
public int previousIndex() {
return cursor - 1;
}
@Override
public void set(E e) {
if(lastRet==-1){
throw new IllegalStateException();
}
darr.set(lastRet, e);
}
@Override
public void add(E e) {
darr.add(cursor, e);
cursor++;
lastRet = -1;
}
}
逻辑比较简单，就不解释了，有了DynamicArrayListIterator，我们看基于AbstractSequentialList的List实现，代码如下：
public class MySeqList<E> extends AbstractSequentialList<E> {
private DynamicArray<E> darr;
public MySeqList(){
darr = new DynamicArray<>();
}
public MySeqList(Collection<? extends E> c){
this();
addAll(c);
}
@Override
public ListIterator<E> listIterator(int index) {
return new DynamicArrayListIterator<>(index, darr);
}
@Override
public int size() {
return darr.size();
}
}
代码很简单，就是按建议提供了两个构造方法，并重写了size和listIterator方法，迭代器的实现是DynamicArrayListIterator。
AbstractMap
功能说明
AbstractMap提供了Map接口的基础实现，具体来说，它实现了如下方法：
public void clear() public boolean containsKey(Object key) public boolean containsValue(Object value) public boolean equals(Object o) public V get(Object key) public int hashCode() public boolean isEmpty() public Set<K> keySet() public void putAll(Map<? extends K, ? extends V> m) public V remove(Object key) public int size() public String toString() public Collection<V> values()
AbstractMap是如何实现这些方法的呢？它依赖于如下更为基础的方法：
public V put(K key, V value) public abstract Set<Entry<K,V>> entrySet();
putAll就是循环调用put。put方法的默认实现是抛出异常UnsupportedOperationException，如果Map是允许写入的，则需要重写该方法。
其他方法都基于entrySet，entrySet是一个抽象方法，子类必须重写，它返回所有键值对的Set视图，这个Set实现类不应该支持add或remove方法，但如果Map是允许删除的，这个Set的迭代器实现类，即entrySet().iterator()的返回对象，必须实现迭代器的remove方法，这是因为AbstractMap的remove方法是通过entrySet().iterator().remove()实现的。
除了提供基础方法的实现，AbstractMap类内部还定义了两个公有的静态内部类，表示键值对：
AbstractMap.SimpleEntry implements Entry<K,V> AbstractMap.SimpleImmutableEntry implements Entry<K,V>
SimpleImmutableEntry用于表示只读的键值对，而SimpleEntry用于表示可写的。
Map接口文档建议，每个Map接口的实现类都应该提供至少两个标准的构造方法，一个是默认构造方法，另一个接受一个Map类型的参数。
扩展例子
具体如何扩展AbstractMap呢？我们定义一个简单的Map实现类MyMap，内部还是用DynamicArray：
public class MyMap<K, V> extends AbstractMap<K, V> {
private DynamicArray<Map.Entry<K, V>> darr;
private Set<Map.Entry<K, V>> entrySet = null;
public MyMap() {
darr = new DynamicArray<>();
}
public MyMap(Map<? extends K, ? extends V> m) {
this();
putAll(m);
}
@Override
public Set<Entry<K, V>> entrySet() {
Set<Map.Entry<K, V>> es = entrySet;
return es != null ? es : (entrySet = new EntrySet());
}
@Override
public V put(K key, V value) {
for (int i = 0; i < darr.size(); i++) {
Map.Entry<K, V> entry = darr.get(i);
if ((key == null && entry.getKey() == null)
|| (key != null && key.equals(entry.getKey()))) {
V oldValue = entry.getValue();
entry.setValue(value);
return oldValue;
}
}
Map.Entry<K, V> newEntry = new AbstractMap.SimpleEntry<>(key, value);
darr.add(newEntry);
return null;
}
class EntrySet extends AbstractSet<Map.Entry<K, V>> {
public Iterator<Map.Entry<K, V>> iterator() {
return new DynamicArrayIterator<Map.Entry<K, V>>(darr);
}
public int size() {
return darr.size();
}
}
}
我们定义了两个构造方法，实现了put和entrySet方法。
put方法先通过循环查找是否已存在对应的键，如果存在，修改值，否则新建一个键值对(类型为AbstractMap.SimpleEntry)并添加。
entrySet返回的类型是一个内部类EntrySet，它继承自AbstractSet，重写了size和iterator方法，iterator方法中，返回的是迭代器类型是DynamicArrayIterator，它支持remove方法。
AbstractSet
AbstractSet提供了Set接口的基础实现，它继承自AbstractCollection，增加了equals和hashCode方法的默认实现。Set接口要求容器内不能包含重复元素，AbstractSet并没有实现该约束，子类需要自己实现。
扩展AbstractSet与AbstractCollection是类似的，只是需要实现无重复元素的约束，比如，add方法内需要检查元素是否已经添加过了。具体实现比较简单，我们就不赘述了。
AbstractQueue
AbstractQueue提供了Queue接口的基础实现，它继承自AbstractCollection，实现了如下方法：
public boolean add(E e) public boolean addAll(Collection<? extends E> c) public void clear() public E element() public E remove()
这些方法是基于Queue接口的其他方法实现的，包括：
E peek(); E poll(); boolean offer(E e);
扩展AbstractQueue需要实现这些方法，具体逻辑也比较简单，我们就不赘述了。
小结
本节介绍了Java容器类中的抽象类AbstractCollection, AbstractList, AbstractSequentialList, AbstractSet, AbstractQueue以及AbstractMap，介绍了它们与容器接口和具体类的关系，对每个抽象类，介绍了它提供的基础功能，是如何实现的，并举例说明了如何进行扩展。
前面我们提到，实现了容器接口，就可以方便的参与到容器类这个大家庭中进行相互协作，也可以方便的利用Collections这个类实现的通用算法和功能。
但Collections都实现了哪些算法和功能？都有什么用途？如何使用？内部又是如何实现的？有何参考价值？让我们下一节来探讨。
