如果一个程序只包含固定数量的对象且对象的生命周期都是已知的，那么这是一个非常简单的程序。

通常，程序总是根据运行时才知道的某些条件去创建新的对象。在此之前，无法知道所需对象的数量甚至确切类型。为了解决这个普遍的编程问题，需要在任意时刻和任意位置创建任意数量的对象。

大多数编程语言都提供了某种方法来解决这个基本问题。例如之前学习过的数组，它是编译器支持的类型。数组是保存一组对象的最有效的方式，如果想要保存一组基本类型数据，也推荐使用数组。但是数组具有固定的大小尺寸，而且在更一般的情况下，在写程序的时候并不知道将需要多少个对象，或者是否需要更复杂的方式来存储对象，因此数组长度固定这一限制就显得太不方便了。

因此集合框架就应运而生了，让我们先来看一张整个 Java 集合框架的结构图：

是不是让人看得眼花缭乱？确实如此，我第一次见到这张图的时候也被吓了一跳，没想到Java的集合框架比C++ 的 STL 要复杂这么多。不过没事，让我们慢慢来。

而在这次课程中我们主要介绍图中用红框标记的接口及其主要子类。

基本概念

首先Java集合框架分为两大类，如上图所示，分别是 Collection 和 Map。

Collection 顾名思义，就是集合的意思，不过和数学上的集合不太一样，根据官方文档，这里的集合既可以有重复元素，也可以没有重复元素，既可以有序，也可以无序，是用来实现多态的一个接口。我们可以把它简单理解成长度可变的数组。List 会以插入顺序存储元素，而 Set 则不能包含重复元素，Queue 则按照指定的排队规则来确定元素存储的顺序（Queue的部分就留给你们自学啦）。
Map 则是指一个一个的键值对，可以把它简单的理解成元素类型是键值对的 Collection（但不允许一个键对应多个值）。通过给定 Map 一个键，就可以得到其对应的值，因此它又叫做字典（就像我们查字典的时候，根据单词拼写可以找到对应的单词意思一样）。

在大多数情况下，你编写的大部分代码都在与这些接口打交道，并且唯一需要指定具体类型的地方就是在创建它们的时候。

因此，可以像下面这样创建一个 List ，尖括号里面是集合里面元素的类型，同样右边尖括号里的范型类型可以省略。

List<Apple> apples = new ArrayList<>();

请注意， ArrayList 已经被向上转型为了 List 。使用这些接口的目的是：如果想要改变具体实现，只需在创建时修改它就行了，就像下面这样：

List<Apple> apples = new LinkedList<>();

因此，应该创建一个具体类的对象，将其向上转型为对应的接口，然后在其余代码中都是用这个接口，这是面向对象的一种重要思想。

这种方式并非总是有效的，因为某些具体类有额外的功能。例如， LinkedList 具有 List 接口中未包含的额外方法，而 TreeMap 也具有在 Map 接口中未包含的方法。如果需要使用这些方法，就不能将它们向上转型为更通用的接口。

Collection

作为所有集合的根接口，它定义了所有集合都能进行的操作，这里就只介绍几个比较重要的方法：

int size() 获取集合大小

boolean isEmpty() 集合是否为空

boolean contains(Object) 集合是否包含某个元素

boolean add(E) 将元素加入集合，成功则返回true

boolean remove(E) 将指定元素移除集合，成功则返回true

clear() 清空整个集合

boolean addAll(Collection<?>)
将指定集合中所有元素加入此集合，如果集合改变了则返回true

boolean removeAll(Collection<?>)
删除所有指定集合中有的元素，如果集合改变了则返回true

<T> T[] toArray(T[] a)
返回一个包含集合中所有元素的数组，运行时根据集合元素的类型指定数组的类型

值得注意的最后这个方法的参数数组a，如果数组a有足够空间可以放下所有的元素，就会把生成的数组放入a里面，反之则会生成一个新的数组，所以我一般的用法是这样的：

String[] array=list.toArray(new String[0]);

列表 List

List 将元素保存在特定的序列（Sequence）中。 List 接口在 Collection 的基础上添加了许多方法，允许在 List 的中间插入和删除元素。

有下面两种类型的 List ：

ArrayList ：实现原理是数组，随机访问元素（就是不按照元素的顺序进行依次访问）速度较快，但在 List 中间插入和删除元素时速度较慢。
LinkedList ：实现原理是链表，它在 List 中间进行的插入和删除操作速度比较快，但对于随机访问来说相对较慢。由于是用链表实现的，提供了很方便获取开头和末尾元素的方法。

集合 Set

Set 是不允许重复元素的集合，也就是数学意义上真正的集合，如果试图将相同对象的多个实例添加到 Set 中，它会阻止这种行为。Set 具有与 Collection 一模一样的接口，因此没有任何额外的功能，不像前面两种不同类型的 List 那样。所以实际上， Set 就是一个 Collection ，只是行为不同。

由于 Set 和 Collection 的接口完全相同，所以没有方便的获取中间元素的方法，一般访问元素采用的是 for-in 语句（或者是迭代器），如下所示：

public class SetOfString {
  public static void main(String[] args) {
    Set<String> colors = new HashSet<>();
    for(int i = 0; i < 100; i++) {
      colors.add("Yellow");
      colors.add("Blue");
      colors.add("Red");
      colors.add("Red");
      colors.add("Orange");
      colors.add("Yellow");
      colors.add("Blue");
      colors.add("Purple");
    }
    for(String color: colors){
      System.out.println(color);
    }
  }
}

细心的小伙伴们运行完上面的代码以后可能会发现不对的地方，怎么输出的顺序和添加的顺序不同呢？

对，这就是 HashSet 的一个特性之一，由于它是用散列函数决定元素存储的顺序，所以无法保证输出顺序和添加的顺序保持一致，它内部是用后面要讲到的 HashMap 实现的。

那如果就是要保持一致怎么办呢？那就要用到 LinkedHashSet 了，可以试试把上面代码中的 HashSet 换成 LinkedHashSet 然后输出结果。

最后就是 TreeSet，可以将元素按照给定的 Comparator 进行排序，而它内部也是用 TreeMap 实现的。

迭代器 Iterator

Iterator 的中文名称是迭代器，在 C++ 的 STL 里也有类似的东西。

迭代器是什么？试想一下，我们在所有集合中是不是都会需要访问里面的元素，而迭代器则是将对元素的访问和集合本身隔离开来，也就是说迭代器就是专门用来对集合中的元素进行访问的类。

为什么要有迭代器？想象一下下面的场景：你有一家餐厅，有一个存储菜单项的集合，需要对集合的元素进行访问从而显示菜单，刚开始你可以打算用 List，于是用了 get() 函数访问元素；但过几天以后老板觉得不满意，说要你改用Set，之前所有的代码都需要改，这可麻烦了。

而一开始就用迭代器就不一样了，所有的 Collection 都有一个方法 iterator()，可以返回一个迭代器对象，不管你集合的底层怎么变化，你都不需要改很多的代码。

迭代器主要有如下的方法：

boolean hasNext() 判断是否有下一个元素

T next() 返回下一个元素

void remove() 删除上一次调用next()方法所返回的对象，如果之前没有执行过next()则会抛出错误

值得注意的是remove()这个方法并不是抽象方法，而是有默认实现的：

default void remove() {
    throw new UnsupportedOperationException("remove");
}

也就是说不是所有的集合返回的迭代器对象都可以在中途删除元素，只要子类不重写这个方法就可以了。

映射 Map

Map用起来比较简单，它有两个范型参数，分别表示键的类型和值的类型。

它的几个核心方法如下：

V put(K key, V value) 将一个键和一个值进行对应，返回值是这个键之前对应的值，如果这个键之前没有对应的值则返回null

V get(K key) 返回一个键对应的值

V remove(Object key) 删除一个键对应的值，返回值是这个键之前对应的值

void clear() 清除所有键值对的对应关系

boolean containsKey(Object key)/containsValue(Object value) 是否存在某个键/值

Set<Map.Entry<K,V>> entrySet() 返回包含所有键值对的 Set

然后就是几个主要子类：
HashMap 通过散列函数使得查找速度非常快，但不保存键的顺序（和 HashSet 差不多）。
TreeMap 始终按照指定排序规则的升序来保存键，所以查找速度比 HashMap 要慢。
LinkedHashMap 在保持 HashMap 的查找速度的同时按照键的插入顺序保存键。

Java核心教程3: 集合