Java编程思想对象的容纳实例详解
Java提供了容纳对象（或者对象的句柄）的多种方式，接下来我们具体看看都有哪些方式。
有两方面的问题将数组与其他集合类型区分开来：效率和类型。对于Java来说，为保存和访问一系列对象（实际是对象的句柄）数组，最有效的方法莫过于数组。数组实际代表一个简单的线性序列，它使得元素的访问速度非常快，但我们却要为这种速度付出代价：创建一个数组对象时，它的大小是固定的，而且不可在那个数组对象的“存在时间”内发生改变。可创建特定大小的一个数组，然后假如用光了存储空间，就再创建一个新数组，将所有句柄从旧数组移到新数组。这属于“矢量”（Vector）类的行为。然而，由于为这种大小的灵活性要付出较大的代价，所以我们认为矢量的效率并没有数组高。
在Java中，无论使用的是数组还是集合，都会进行范围检查——若超过边界，就会获得一个RuntimeException（运行期违例）错误。几种常见的集合类：Vector（矢量）、Stack（堆栈）以及Hashtable（散列表）。这些类都涉及对对象的处理——好象它们没有特定的类型。换言之，它们将其当作Object类型处理（Object类型是Java中所有类的“根”类）。从某个角度看，这种处理方法是非常合理的：我们仅需构建一个集合，然后任何Java对象都可以进入那个集合（除基本数据类型外——可用Java的基本类型封装类将其作为常数置入集合，或者将其封装到自己的类内，作为可以变化的值使用）。这再一次反映了数组优于常规集合：创建一个数组时，可令其容纳一种特定的类型。
对象数组容纳的是句柄，而基本数据类型数组容纳的是具体的数值。
1、集合
为容纳一组对象，最适宜的选择应当是数组。而且假如容纳的是一系列基本数据类型，更是必须采用数组。当我们编写程序时，通常并不能确切地知道最终需要多少个对象。有些时候甚至想用更复杂的方式来保存对象。为解决这个问题，Java提供了四种类型的“集合类”：Vector（矢量）、BitSet（位集）、Stack（堆栈）以及Hashtable（散列表）。与拥有集合功能的其他语言相比，尽管这儿的数量显得相当少，但仍然能用它们解决数量惊人的实际问题。
这些集合类具有形形色色的特征。例如，Stack实现了一个LIFO（先入先出）序列，而Hashtable是一种“关联数组”，允许我们将任何对象关联起来。除此以外，所有Java集合类都能自动改变自身的大小。所以，我们在编程时可使用数量众多的对象，同时不必担心会将集合弄得有多大。
1.1缺点：类型未知
使用Java集合的“缺点”是在将对象置入一个集合时丢失了类型信息。之所以会发生这种情况，是由于当初编写集合时，那个集合的程序员根本不知道用户到底想把什么类型置入集合。若指示某个集合只允许特定的类型，会妨碍它成为一个“常规用途”的工具，为用户带来麻烦。为解决这个问题，集合实际容纳的是类型为Object的一些对象的句柄。这种类型当然代表Java中的所有对象，因为它是所有类的根。当然，也要注意这并不包括基本数据类型，因为它们并不是从“任何东西”继承来的。这是一个很好的方案，只是不适用下述场合：
(1)将一个对象句柄置入集合时，由于类型信息会被抛弃，所以任何类型的对象都可进入我们的集合——即便特别指示它只能容纳特定类型的对象。举个例子来说，虽然指示它只能容纳猫，但事实上任何人都可以把一条狗扔进来。
(2)由于类型信息不复存在，所以集合能肯定的唯一事情就是自己容纳的是指向一个对象的句柄。正式使用它之前，必须对其进行造型，使其具有正确的类型。
2、Stack
Stack有时也可以称为“后入先出”（LIFO）集合。换言之，我们在堆栈里最后“压入”的东西将是以后第一个“弹出”的。和其他所有Java集合一样，我们压入和弹出的都是“对象”，所以必须对自己弹出的东西进行“造型”。
一种很少见的做法是拒绝使用Vector作为一个Stack的基本构成元素，而是从Vector里“继承”一个Stack。这样一来，它就拥有了一个Vector的所有特征及行为，另外加上一些额外的Stack行为。很难判断出设计者到底是明确想这样做，还是属于一种固有的设计。
下面是一个简单的堆栈示例，它能读入数组的每一行，同时将其作为字串压入堆栈。
importjava.util.*;
publicclassStacks{
staticString[]months={
"January","February","March","April",
"May","June","July","August","September",
"October","November","December"};
publicstaticvoidmain(String[]args){
Stackstk=newStack();
for(inti=0;i
months数组的每一行都通过push()继承进入堆栈，稍后用pop()从堆栈的顶部将其取出。要声明的一点是，Vector操作亦可针对Stack对象进行。这可能是由继承的特质决定的——Stack“属于”一种Vector。因此，能对Vector进行的操作亦可针对Stack进行，例如elementAt()方法。
3、Hashtable
Vector允许我们用一个数字从一系列对象中作出选择，所以它实际是将数字同对象关联起来了。但假如我们想根据其他标准选择一系列对象呢？堆栈就是这样的一个例子：它的选择标准是“最后压入堆栈的东西”。这种“从一系列对象中选择”的概念亦可叫作一个“映射”、“字典”或者“关联数组”。从概念上讲，它看起来象一个Vector，但却不是通过数字来查找对象，而是用另一个对象来查找它们！这通常都属于一个程序中的重要进程。
在Java中，这个概念具体反映到抽象类Dictionary身上。该类的接口是非常直观的size()告诉我们其中包含了多少元素；isEmpty()判断是否包含了元素（是则为true）；put(Objectkey,Objectvalue)添加一个值（我们希望的东西），并将其同一个键关联起来（想用于搜索它的东西）；get(Objectkey)获得与某个键对应的值；而remove(ObjectKey)用于从列表中删除“键－值”对。还可以使用枚举技术：keys()产生对键的一个枚举（Enumeration）；而elements()产生对所有值的一个枚举。这便是一个Dictionary（字典）的全部。
Dictionary的实现过程并不麻烦。下面列出一种简单的方法，它使用了两个Vector，一个用于容纳键，另一个用来容纳值：
importjava.util.*;
publicclassAssocArrayextendsDictionary{
privateVectorkeys=newVector();
privateVectorvalues=newVector();
publicintsize(){returnkeys.size();}
publicbooleanisEmpty(){
returnkeys.isEmpty();
}
publicObjectput(Objectkey,Objectvalue){
keys.addElement(key);
values.addElement(value);
returnkey;
}
publicObjectget(Objectkey){
intindex=keys.indexOf(key);
//indexOf()Returns-1ifkeynotfound:
if(index==-1)returnnull;
returnvalues.elementAt(index);
}
publicObjectremove(Objectkey){
intindex=keys.indexOf(key);
if(index==-1)returnnull;
keys.removeElementAt(index);
Objectreturnval=values.elementAt(index);
values.removeElementAt(index);
returnreturnval;
}
publicEnumerationkeys(){
returnkeys.elements();
}
publicEnumerationelements(){
returnvalues.elements();
}
//Testit:
publicstaticvoidmain(String[]args){
AssocArrayaa=newAssocArray();
for(charc='a';c<='z';c++)
aa.put(String.valueOf(c),
String.valueOf(c)
.toUpperCase());
char[]ca={'a','e','i','o','u'};
for(inti=0;i
在对AssocArray的定义中，我们注意到的第一个问题是它“扩展”了字典。这意味着AssocArray属于Dictionary的一种类型，所以可对其发出与Dictionary一样的请求。如果想生成自己的Dictionary，而且就在这里进行，那么要做的全部事情只是填充位于Dictionary内的所有方法（而且必须覆盖所有方法，因为它们——除构建器外——都是抽象的）。
Vectorkey和value通过一个标准索引编号链接起来。也就是说，如果用“roof”的一个键以及“blue”的一个值调用put()——假定我们准备将一个房子的各部分与它们的油漆颜色关联起来，而且AssocArray里已有100个元素，那么“roof”就会有101个键元素，而“blue”有101个值元素。而且要注意一下get()，假如我们作为键传递“roof”，它就会产生与keys.index.Of()的索引编号，然后用那个索引编号生成相关的值矢量内的值。
main()中进行的测试是非常简单的；它只是将小写字符转换成大写字符，这显然可用更有效的方式进行。但它向我们揭示出了AssocArray的强大功能。
标准Java库只包含Dictionary的一个变种，名为Hashtable（散列表，注释③）。Java的散列表具有与AssocArray相同的接口（因为两者都是从Dictionary继承来的）。但有一个方面却反映出了差别：执行效率。若仔细想想必须为一个get()做的事情，就会发现在一个Vector里搜索键的速度要慢得多。但此时用散列表却可以加快不少速度。不必用冗长的线性搜索技术来查找一个键，而是用一个特殊的值，名为“散列码”。散列码可以获取对象中的信息，然后将其转换成那个对象“相对唯一”的整数（int）。所有对象都有一个散列码，而hashCode()是根类Object的一个方法。Hashtable获取对象的hashCode()，然后用它快速查找键。这样可使性能得到大幅度提升（④）。散列表的具体工作原理已超出了本书的范围（⑤）——大家只需要知道散列表是一种快速的“字典”（Dictionary）即可，而字典是一种非常有用的工具。
③：如计划使用RMI（在第15章详述），应注意将远程对象置入散列表时会遇到一个问题（参阅《CoreJava》，作者Conrell和Horstmann，Prentice-Hall1997年出版）
④：如这种速度的提升仍然不能满足你对性能的要求，甚至可以编写自己的散列表例程，从而进一步加快表格的检索过程。这样做可避免在与Object之间进行造型的时间延误，也可以避开由Java类库散列表例程内建的同步过程。
⑤：我的知道的最佳参考读物是《PracticalAlgorithmsforProgrammers》，作者为AndrewBinstock和JohnRex，Addison-Wesley1995年出版。
作为应用散列表的一个例子，可考虑用一个程序来检验Java的Math.random()方法的随机性到底如何。在理想情况下，它应该产生一系列完美的随机分布数字。但为了验证这一点，我们需要生成数量众多的随机数字，然后计算落在不同范围内的数字多少。散列表可以极大简化这一工作，因为它能将对象同对象关联起来（此时是将Math.random()生成的值同那些值出现的次数关联起来）。如下所示：
//:Statistics.java
//SimpledemonstrationofHashtable
importjava.util.*;
classCounter{
inti=1;
publicStringtoString(){
returnInteger.toString(i);
}
}
classStatistics{
publicstaticvoidmain(String[]args){
Hashtableht=newHashtable();
for(inti=0;i<10000;i++){
//Produceanumberbetween0and20:
Integerr=
newInteger((int)(Math.random()*20));
if(ht.containsKey(r))
((Counter)ht.get(r)).i++;
else
ht.put(r,newCounter());
}
System.out.println(ht);
}
}
在main()中，每次产生一个随机数字，它都会封装到一个Integer对象里，使句柄能够随同散列表一起使用（不可对一个集合使用基本数据类型，只能使用对象句柄）。containKey()方法检查这个键是否已经在集合里（也就是说，那个数字以前发现过吗？）若已在集合里，则get()方法获得那个键关联的值，此时是一个Counter（计数器）对象。计数器内的值i随后会增加1，表明这个特定的随机数字又出现了一次。
假如键以前尚未发现过，那么方法put()仍然会在散列表内置入一个新的“键－值”对。在创建之初，Counter会自己的变量i自动初始化为1，它标志着该随机数字的第一次出现。
为显示散列表，只需把它简单地打印出来即可。HashtabletoString()方法能遍历所有键－值对，并为每一对都调用toString()。IntegertoString()是事先定义好的，可看到计数器使用的toString。一次运行的结果（添加了一些换行）如下：
{19=526,18=533,17=460,16=513,15=521,14=495,
13=512,12=483,11=488,10=487,9=514,8=523,
7=497,6=487,5=480,4=489,3=509,2=503,1=475,
0=505}
大家或许会对Counter类是否必要感到疑惑，它看起来似乎根本没有封装类Integer的功能。为什么不用int或Integer呢？事实上，由于所有集合能容纳的仅有对象句柄，所以根本不可以使用整数。学过集合后，封装类的概念对大家来说就可能更容易理解了，因为不可以将任何基本数据类型置入集合里。然而，我们对Java封装器能做的唯一事情就是将其初始化成一个特定的值，然后读取那个值。也就是说，一旦封装器对象已经创建，就没有办法改变一个值。这使得Integer封装器对解决我们的问题毫无意义，所以不得不创建一个新类，用它来满足自己的要求。
3.1创建“关键”类
在前面的例子里，我们用一个标准库的类（Integer）作为Hashtable的一个键使用。作为一个键，它能很好地工作，因为它已经具备正确运行的所有条件。但在使用散列表的时候，一旦我们创建自己的类作为键使用，就会遇到一个很常见的问题。例如，假设一套天气预报系统将Groundhog（土拔鼠）对象匹配成Prediction（预报）。这看起来非常直观：我们创建两个类，然后将Groundhog作为键使用，而将Prediction作为值使用。如下所示：
//:SpringDetector.java
//Looksplausible,butdoesn'tworkright.
importjava.util.*;
classGroundhog{
intghNumber;
Groundhog(intn){ghNumber=n;}
}
classPrediction{
booleanshadow=Math.random()>0.5;
publicStringtoString(){
if(shadow)
return"SixmoreweeksofWinter!";
else
return"EarlySpring!";
}
}
publicclassSpringDetector{
publicstaticvoidmain(String[]args){
Hashtableht=newHashtable();
for(inti=0;i<10;i++)
ht.put(newGroundhog(i),newPrediction());
System.out.println("ht="+ht+"\n");
System.out.println(
"Lookinguppredictionforgroundhog#3:");
Groundhoggh=newGroundhog(3);
if(ht.containsKey(gh))
System.out.println((Prediction)ht.get(gh));
}
}
每个Groundhog都具有一个标识号码，所以赤了在散列表中查找一个Prediction，只需指示它“告诉我与Groundhog号码3相关的Prediction”。Prediction类包含了一个布尔值，用Math.random()进行初始化，以及一个toString()为我们解释结果。在main()中，用Groundhog以及与它们相关的Prediction填充一个散列表。散列表被打印出来，以便我们看到它们确实已被填充。随后，用标识号码为3的一个Groundhog查找与Groundhog#3对应的预报。
看起来似乎非常简单，但实际是不可行的。问题在于Groundhog是从通用的Object根类继承的（若当初未指定基础类，则所有类最终都是从Object继承的）。事实上是用Object的hashCode()方法生成每个对象的散列码，而且默认情况下只使用它的对象的地址。所以，Groundhog(3)的第一个实例并不会产生与Groundhog(3)第二个实例相等的散列码，而我们用第二个实例进行检索。
大家或许认为此时要做的全部事情就是正确地覆盖hashCode()。但这样做依然行不能，除非再做另一件事情：覆盖也属于Object一部分的equals()。当散列表试图判断我们的键是否等于表内的某个键时，就会用到这个方法。同样地，默认的Object.equals()只是简单地比较对象地址，所以一个Groundhog(3)并不等于另一个Groundhog(3)。
因此，为了在散列表中将自己的类作为键使用，必须同时覆盖hashCode()和equals()，就象下面展示的那样：
//:SpringDetector2.java
//Ifyoucreateaclassthat'susedasakeyin
//aHashtable,youmustoverridehashCode()
//andequals().
importjava.util.*;
classGroundhog2{
intghNumber;
Groundhog2(intn){ghNumber=n;}
publicinthashCode(){returnghNumber;}
publicbooleanequals(Objecto){
return(oinstanceofGroundhog2)
&&(ghNumber==((Groundhog2)o).ghNumber);
}
}
publicclassSpringDetector2{
publicstaticvoidmain(String[]args){
Hashtableht=newHashtable();
for(inti=0;i<10;i++)
ht.put(newGroundhog2(i),newPrediction());
System.out.println("ht="+ht+"\n");
System.out.println(
"Lookinguppredictionforgroundhog#3:");
Groundhog2gh=newGroundhog2(3);
if(ht.containsKey(gh))
System.out.println((Prediction)ht.get(gh));
}
}
注意这段代码使用了来自前一个例子的Prediction，所以SpringDetector.java必须首先编译，否则就会在试图编译SpringDetector2.java时得到一个编译期错误。
Groundhog2.hashCode()将土拔鼠号码作为一个标识符返回（在这个例子中，程序员需要保证没有两个土拔鼠用同样的ID号码并存）。为了返回一个独一无二的标识符，并不需要hashCode()，equals()方法必须能够严格判断两个对象是否相等。
equals()方法要进行两种检查：检查对象是否为null；若不为null，则继续检查是否为Groundhog2的一个实例（要用到instanceof关键字）。即使为了继续执行equals()，它也应该是一个Groundhog2。正如大家看到的那样，这种比较建立在实际ghNumber的基础上。这一次一旦我们运行程序，就会看到它终于产生了正确的输出（许多Java库的类都覆盖了hashcode()和equals()方法，以便与自己提供的内容适应）。
3.2属性：Hashtable的一种类型
在第一个例子中，我们使用了一个名为Properties（属性）的Hashtable类型。在那个例子中，下述程序行：
Propertiesp=System.getProperties();
p.list(System.out);
调用了一个名为getProperties()的static方法，用于获得一个特殊的Properties对象，对系统的某些特征进行描述。list()属于Properties的一个方法，可将内容发给我们选择的任何流式输出。也有一个save()方法，可用它将属性列表写入一个文件，以便日后用load()方法读取。
尽管Properties类是从Hashtable继承的，但它也包含了一个散列表，用于容纳“默认”属性的列表。所以假如没有在主列表里找到一个属性，就会自动搜索默认属性。
Properties类亦可在我们的程序中使用（第17章的ClassScanner.java便是一例）。在Java库的用户文档中，往往可以找到更多、更详细的说明。
4、再论枚举器
我们现在可以开始演示Enumeration（枚举）的真正威力：将穿越一个序列的操作与那个序列的基础结构分隔开。在下面的例子里，PrintData类用一个Enumeration在一个序列中移动，并为每个对象都调用toString()方法。此时创建了两个不同类型的集合：一个Vector和一个Hashtable。并且在它们里面分别填充Mouse和Hamster对象（本章早些时候已定义了这些类；注意必须先编译HamsterMaze.java和WorksAnyway.java，否则下面的程序不能编译）。由于Enumeration隐藏了基层集合的结构，所以PrintData不知道或者不关心Enumeration来自于什么类型的集合：
//:Enumerators2.java
//RevisitingEnumerations
importjava.util.*;
classPrintData{
staticvoidprint(Enumeratione){
while(e.hasMoreElements())
System.out.println(
e.nextElement().toString());
}
}
classEnumerators2{
publicstaticvoidmain(String[]args){
Vectorv=newVector();
for(inti=0;i<5;i++)
v.addElement(newMouse(i));
Hashtableh=newHashtable();
for(inti=0;i<5;i++)
h.put(newInteger(i),newHamster(i));
System.out.println("Vector");
PrintData.print(v.elements());
System.out.println("Hashtable");
PrintData.print(h.elements());
}
}
注意PrintData.print()利用了这些集合中的对象属于Object类这一事实，所以它调用了toString()。但在解决自己的实际问题时，经常都要保证自己的Enumeration穿越某种特定类型的集合。例如，可能要求集合中的所有元素都是一个Shape（几何形状），并含有draw()方法。若出现这种情况，必须从Enumeration.nextElement()返回的Object进行下溯造型，以便产生一个Shape。
5、新集合
新的集合库考虑到了“容纳自己对象”的问题，并将其分割成两个明确的概念：
(1)集合（Collection）：一组单独的元素，通常应用了某种规则。在这里，一个List（列表）必须按特定的顺序容纳元素，而一个Set（集）不可包含任何重复的元素。相反，“包”（Bag）的概念未在新的集合库中实现，因为“列表”已提供了类似的功能。
(2)映射（Map）：一系列“键－值”对（这已在散列表身上得到了充分的体现）。从表面看，这似乎应该成为一个“键－值”对的“集合”，但假若试图按那种方式实现它，就会发现实现过程相当笨拙。这进一步证明了应该分离成单独的概念。另一方面，可以方便地查看Map的某个部分。只需创建一个集合，然后用它表示那一部分即可。这样一来，Map就可以返回自己键的一个Set、一个包含自己值的List或者包含自己“键－值”对的一个List。和数组相似，Map可方便扩充到多个“维”，毋需涉及任何新概念。只需简单地在一个Map里包含其他Map（后者又可以包含更多的Map，以此类推）。
在通读了本章以后，相信大家会真正理解它实际只有三个集合组件：Map，List和Set。而且每个组件实际只有两、三种实现方式（注释⑥），而且通常都只有一种特别好的方式。只要看出了这一点，集合就不会再令人生畏。
6、使用Collections
booleanadd(Object)＊保证集合内包含了自变量。如果它没有添加自变量，就返回false（假）
booleanaddAll(Collection)＊添加自变量内的所有元素。如果没有添加元素，则返回true（真）
voidclear()＊删除集合内的所有元素
booleancontains(Object)若集合包含自变量，就返回“真”
booleancontainsAll(Collection)若集合包含了自变量内的所有元素，就返回“真”
booleanisEmpty()若集合内没有元素，就返回“真”
Iteratoriterator()返回一个反复器，以用它遍历集合的各元素
booleanremove(Object)＊如自变量在集合里，就删除那个元素的一个实例。如果已进行了删除，就返回“真”
booleanremoveAll(Collection)＊删除自变量里的所有元素。如果已进行了任何删除，就返回“真”
booleanretainAll(Collection)＊只保留包含在一个自变量里的元素（一个理论的“交集”）。如果已进行了任何改变，就返回“真”intsize()返回集合内的元素数量
Object[]toArray()返回包含了集合内所有元素的一个数组
7、使用Lists
List（接口）顺序是List最重要的特性；它可保证元素按照规定的顺序排列。List为Collection添加了大量方法，以便我们在List中部插入和删除元素（只推荐对LinkedList这样做）。List也会生成一个ListIterator（列表反复器），利用它可在一个列表里朝两个方向遍历，同时插入和删除位于列表中部的元素（同样地，只建议对LinkedList这样做）
ArrayList＊由一个数组后推得到的List。作为一个常规用途的对象容器使用，用于替换原先的Vector。允许我们快速访问元素，但在从列表中部插入和删除元素时，速度却嫌稍慢。一般只应该用ListIterator对一个ArrayList进行向前和向后遍历，不要用它删除和插入元素；与LinkedList相比，它的效率要低许多
LinkedList提供优化的顺序访问性能，同时可以高效率地在列表中部进行插入和删除操作。但在进行随机访问时，速度却相当慢，此时应换用ArrayList。也提供了addFirst()，addLast()，getFirst()，getLast()，removeFirst()以及removeLast()（未在任何接口或基础类中定义），以便将其作为一个规格、队列以及一个双向队列使用
8、使用Sets
Set（接口）添加到Set的每个元素都必须是独一无二的；否则Set就不会添加重复的元素。添加到Set里的对象必须定义equals()，从而建立对象的唯一性。Set拥有与Collection完全相同的接口。一个Set不能保证自己可按任何特定的顺序维持自己的元素
HashSet＊用于除非常小的以外的所有Set。对象也必须定义hashCode()
ArraySet由一个数组后推得到的Set。面向非常小的Set设计，特别是那些需要频繁创建和删除的。对于小Set，与HashSet相比，ArraySet创建和反复所需付出的代价都要小得多。但随着Set的增大，它的性能也会大打折扣。不需要HashCode()
TreeSet由一个“红黑树”后推得到的顺序Set。这样一来，我们就可以从一个Set里提到一个顺序集合
9、使用Maps
Map（接口）维持“键－值”对应关系（对），以便通过一个键查找相应的值
HashMap＊基于一个散列表实现（用它代替Hashtable）。针对“键－值”对的插入和检索，这种形式具有最稳定的性能。可通过构建器对这一性能进行调整，以便设置散列表的“能力”和“装载因子”
ArrayMap由一个ArrayList后推得到的Map。对反复的顺序提供了精确的控制。面向非常小的Map设计，特别是那些需要经常创建和删除的。对于非常小的Map，创建和反复所付出的代价要比HashMap低得多。但在Map变大以后，性能也会相应地大幅度降低
TreeMap在一个“红－黑”树的基础上实现。查看键或者“键－值”对时，它们会按固定的顺序排列（取决于Comparable或Comparator，稍后即会讲到）。TreeMap最大的好处就是我们得到的是已排好序的结果。TreeMap是含有subMap()方法的唯一一种Map，利用它可以返回树的一部分
总结
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