8.4 集合的类型
8.4 集合的类型
标准 Java 1.0 和 1.1 库配套提供了非常少的一系列集合类。但对于自己的大多数编程要求，它们基本上都能胜任。正如大家到本章末尾会看到的，Java 1.2 提供的是一套重新设计过的大型集合库。
8.4.1 Vector
Vector 的用法很简单，这已在前面的例子中得到了证明。尽管我们大多数时候只需用 addElement()插入对象，用 elementAt()一次提取一个对象，并用 elements()获得对序列的一个“枚举”。但仍有其他一系列方法是非常有用的。同我们对于 Java 库惯常的做法一样，在这里并不使用或讲述所有这些方法。但请务必阅读相应的电子文档，对它们的工作有一个大概的认识。
- 崩溃 Java
Java 标准集合里包含了 toString()方法，所以它们能生成自己的 String 表达方式，包括它们容纳的对象。例如在 Vector 中，toString()会在 Vector 的各个元素中步进和遍历，并为每个元素调用 toString()。假定我们现在想打印出自己类的地址。看起来似乎简单地引用 this 即可（特别是 C++程序员有这样做的倾向）：
//: CrashJava.java
// One way to crash Java
import java.util.*;
public class CrashJava {
public String toString() {
return "CrashJava address: " + this + "\n";
}
public static void main(String[] args) {
Vector v = new Vector();
for(int i = 0; i < 10; i++)
v.addElement(new CrashJava());
System.out.println(v);
}
} ///:~
若只是简单地创建一个 CrashJava 对象，并将其打印出来，就会得到无穷无尽的一系列异常错误。然而，假如将 CrashJava 对象置入一个 Vector，并象这里演示的那样打印 Vector，就不会出现什么错误提示，甚至连一个异常都不会出现。此时 Java 只是简单地崩溃（但至少它没有崩溃我的操作系统）。这已在 Java 1.1 中测试通过。
此时发生的是字串的自动类型转换。当我们使用下述语句时：
"CrashJava address: " + this
编译器就在一个字串后面发现了一个“+”以及好象并非字串的其他东西，所以它会试图将 this 转换成一个字串。转换时调用的是 toString()，后者会产生一个递归调用。若在一个 Vector 内出现这种事情，看起来栈就会溢出，同时异常控制机制根本没有机会作出响应。
若确实想在这种情况下打印出对象的地址，解决方案就是调用 Object 的 toString 方法。此时就不必加入 this，只需使用 super.toString()。当然，采取这种做法也有一个前提：我们必须从 Object 直接继承，或者没有一个父类覆盖了 toString 方法。
8.4.2 BitSet
BitSet 实际是由“二进制位”构成的一个 Vector。如果希望高效率地保存大量“开－关”信息，就应使用 BitSet。它只有从尺寸的角度看才有意义；如果希望的高效率的访问，那么它的速度会比使用一些固有类型的数组慢一些。
此外，BitSet 的最小长度是一个长整数（Long）的长度：64 位。这意味着假如我们准备保存比这更小的数据，如 8 位数据，那么 BitSet 就显得浪费了。所以最好创建自己的类，用它容纳自己的标志位。
在一个普通的 Vector 中，随我们加入越来越多的元素，集合也会自我膨胀。在某种程度上，BitSet 也不例外。也就是说，它有时会自行扩展，有时则不然。而且 Java 的 1.0 版本似乎在这方面做得最糟，它的 BitSet 表现十分差强人意（Java1.1 已改正了这个问题）。下面这个例子展示了 BitSet 是如何运作的，同时演示了 1.0 版本的错误：
//: Bits.java
// Demonstration of BitSet
import java.util.*;
public class Bits {
public static void main(String[] args) {
Random rand = new Random();
// Take the LSB of nextInt():
byte bt = (byte)rand.nextInt();
BitSet bb = new BitSet();
for(int i = 7; i >=0; i--)
if(((1 << i) & bt) != 0)
bb.set(i);
else
bb.clear(i);
System.out.println("byte value: " + bt);
printBitSet(bb);
short st = (short)rand.nextInt();
BitSet bs = new BitSet();
for(int i = 15; i >=0; i--)
if(((1 << i) & st) != 0)
bs.set(i);
else
bs.clear(i);
System.out.println("short value: " + st);
printBitSet(bs);
int it = rand.nextInt();
BitSet bi = new BitSet();
for(int i = 31; i >=0; i--)
if(((1 << i) & it) != 0)
bi.set(i);
else
bi.clear(i);
System.out.println("int value: " + it);
printBitSet(bi);
// Test bitsets >= 64 bits:
BitSet b127 = new BitSet();
b127.set(127);
System.out.println("set bit 127: " + b127);
BitSet b255 = new BitSet(65);
b255.set(255);
System.out.println("set bit 255: " + b255);
BitSet b1023 = new BitSet(512);
// Without the following, an exception is thrown
// in the Java 1.0 implementation of BitSet:
// b1023.set(1023);
b1023.set(1024);
System.out.println("set bit 1023: " + b1023);
}
static void printBitSet(BitSet b) {
System.out.println("bits: " + b);
String bbits = new String();
for(int j = 0; j < b.size() ; j++)
bbits += (b.get(j) ? "1" : "0");
System.out.println("bit pattern: " + bbits);
}
} ///:~
随机数字生成器用于创建一个随机的 byte、short 和 int。每一个都会转换成 BitSet 内相应的位模型。此时一切都很正常，因为 BitSet 是 64 位的，所以它们都不会造成最终尺寸的增大。但在 Java 1.0 中，一旦 BitSet 大于 64 位，就会出现一些令人迷惑不解的行为。假如我们设置一个只比 BitSet 当前分配存储空间大出 1 的一个位，它能够正常地扩展。但一旦试图在更高的位置设置位，同时不先接触边界，就会得到一个恼人的异常。这正是由于 BitSet 在 Java 1.0 里不能正确扩展造成的。本例创建了一个 512 位的 BitSet。构造器分配的存储空间是位数的两倍。所以假如设置位 1024 或更高的位，同时没有先设置位 1023，就会在 Java 1.0 里得到一个异常。但幸运的是，这个问题已在 Java 1.1 得到了改正。所以如果是为 Java 1.0 写代码，请尽量避免使用 BitSet。
8.4.3 Stack
Stack 有时也可以称为“后入先出”（LIFO）集合。换言之，我们在栈里最后“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。
下面是一个简单的栈示例，它能读入数组的每一行，同时将其作为字串压入栈。
//: Stacks.java
// Demonstration of Stack Class
import java.util.*;
public class Stacks {
static String[] months = {
"January", "February", "March", "April",
"May", "June", "July", "August", "September",
"October", "November", "December" };
public static void main(String[] args) {
Stack stk = new Stack();
for(int i = 0; i < months.length; i++)
stk.push(months[i] + " ");
System.out.println("stk = " + stk);
// Treating a stack as a Vector:
stk.addElement("The last line");
System.out.println(
"element 5 = " + stk.elementAt(5));
System.out.println("popping elements:");
while(!stk.empty())
System.out.println(stk.pop());
}
} ///:~
months 数组的每一行都通过 push()继承进入栈，稍后用 pop()从栈的顶部将其取出。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。
8.4.4 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？栈就是这样的一个例子：它的选择标准是“最后压入栈的东西”。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(Object key, Object value)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(Object key)获得与某个键对应的值；而 remove(Object Key)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：
//: AssocArray.java
// Simple version of a Dictionary
import java.util.*;
public class AssocArray extends Dictionary {
private Vector keys = new Vector();
private Vector values = new Vector();
public int size() { return keys.size(); }
public boolean isEmpty() {
return keys.isEmpty();
}
public Object put(Object key, Object value) {
keys.addElement(key);
values.addElement(value);
return key;
}
public Object get(Object key) {
int index = keys.indexOf(key);
// indexOf() Returns -1 if key not found:
if(index == -1) return null;
return values.elementAt(index);
}
public Object remove(Object key) {
int index = keys.indexOf(key);
if(index == -1) return null;
keys.removeElementAt(index);
Object returnval = values.elementAt(index);
values.removeElementAt(index);
return returnval;
}
public Enumeration keys() {
return keys.elements();
}
public Enumeration elements() {
return values.elements();
}
// Test it:
public static void main(String[] args) {
AssocArray aa = new AssocArray();
for(char c = 'a'; c <= 'z'; c++)
aa.put(String.valueOf(c),
String.valueOf(c)
.toUpperCase());
char[] ca = { 'a', 'e', 'i', 'o', 'u' };
for(int i = 0; i < ca.length; i++)
System.out.println("Uppercase: " +
aa.get(String.valueOf(ca[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——除构造器外——都是抽象的）。
Vector key 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《Core Java》，作者 Conrell 和 Horstmann，Prentice-Hall 1997 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《Practical Algorithms for Programmers》，作者为 Andrew Binstock 和 John Rex，Addison-Wesley 1995 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
// Simple demonstration of Hashtable
import java.util.*;
class Counter {
int i = 1;
public String toString() {
return Integer.toString(i);
}
}
class Statistics {
public static void main(String[] args) {
Hashtable ht = new Hashtable();
for(int i = 0; i < 10000; i++) {
// Produce a number between 0 and 20:
Integer r =
new Integer((int)(Math.random() * 20));
if(ht.containsKey(r))
((Counter)ht.get(r)).i++;
else
ht.put(r, new Counter());
}
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，使指针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，只能使用对象指针）。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。Hashtable toString()方法能遍历所有键－值对，并为每一对都调用 toString()。Integer toString()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指针，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。
- 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
// Looks plausible, but doesn't work right.
import java.util.*;
class Groundhog {
int ghNumber;
Groundhog(int n) { ghNumber = n; }
}
class Prediction {
boolean shadow = Math.random() > 0.5;
public String toString() {
if(shadow)
return "Six more weeks of Winter!";
else
return "Early Spring!";
}
}
public class SpringDetector {
public static void main(String[] args) {
Hashtable ht = new Hashtable();
for(int i = 0; i < 10; i++)
ht.put(new Groundhog(i), new Prediction());
System.out.println("ht = " + ht + "\n");
System.out.println(
"Looking up prediction for groundhog #3:");
Groundhog gh = new Groundhog(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
// If you create a class that's used as a key in
// a Hashtable, you must override hashCode()
// and equals().
import java.util.*;
class Groundhog2 {
int ghNumber;
Groundhog2(int n) { ghNumber = n; }
public int hashCode() { return ghNumber; }
public boolean equals(Object o) {
return (o instanceof Groundhog2)
&& (ghNumber == ((Groundhog2)o).ghNumber);
}
}
public class SpringDetector2 {
public static void main(String[] args) {
Hashtable ht = new Hashtable();
for(int i = 0; i < 10; i++)
ht.put(new Groundhog2(i),new Prediction());
System.out.println("ht = " + ht + "\n");
System.out.println(
"Looking up prediction for groundhog #3:");
Groundhog2 gh = new Groundhog2(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，第 11 章会详加论述）。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）。
- 属性：Hashtable 的一种类型
在本书的第一个例子中，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：
Properties p = 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。
8.4.5 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
// Revisiting Enumerations
import java.util.*;
class PrintData {
static void print(Enumeration e) {
while(e.hasMoreElements())
System.out.println(
e.nextElement().toString());
}
}
class Enumerators2 {
public static void main(String[] args) {
Vector v = new Vector();
for(int i = 0; i < 5; i++)
v.addElement(new Mouse(i));
Hashtable h = new Hashtable();
for(int i = 0; i < 5; i++)
h.put(new Integer(i), new Hamster(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。