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违例错误。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,甚至连一个违例都不会出现。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,看起来堆栈就会溢出,同时违例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违例。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。构建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里得到一个违例。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。

//: 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。

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?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(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——除构建器外——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。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。

  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)。

  1. 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。

Copyright © quanke.name 2016 all right reserved,powered by Gitbook该文件修订时间: 2016-08-23 16:39:29

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