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# 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。 (1) 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。 此时发生的是字符串的自动类型转换。当我们使用下述语句时: ``` "CrashJava address: " + this ``` 编译器就在一个字符串后面发现了一个`+`以及好象并非字符串的其他东西,所以它会试图将`this`转换成一个字符串。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“转换”。 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,同时将其作为字符串压入栈。 ``` //: 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`Dictionar`y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向量内的值。 `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`之间进行转换的时间延误,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,使引用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,只能使用对象引用)。`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引用,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包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,一旦包装器对象已经创建,就没有办法改变一个值。这使得`Integer`包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。 (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 // 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)。 (2) 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`进行向下转换,以便产生一个`Shape`。