java 集合 之 集合工具類Collections

前言

? ? ? ? 早期開發者經常需要對集合進行各種操作

? ? ? ? 比如排序、查找最大最小值等等

? ? ? ? 但是當時沒有統一的工具類來處理

? ? ? ? 所以導致代碼重復且容易出錯

????????

? ? ? ? java.util.Collections 工具類的引入

? ? ? ? 為開發者提供了大量?靜態方法?來操作集合

? ? ? ? 它就像一個經驗豐富的助手

? ? ? ? 和數組工具類 Arrays 一樣

? ? ? ? 避免了我們重復造輪子的情況

一、Collections 工具類概述

java.util.Collections 是一個操作集合的工具類

提供大量 靜態方法 來 操作 或 返回 集合

源碼：

// Collections 類的聲明
public class Collections {// 私有構造函數，防止實例化private Collections() {}// ... 大量靜態方法
}

通過源碼我們可以看出：

  • Collections 是一個很純粹的工具類
  • 沒有繼承，沒有實現，父類是 Object
  • 構造器私有，不能實例化對象?

注意區分：

? ? ? ? Collections 是集合的工具類

? ? ? ? Collection? ?是單列集合的根接口

二、核心方法

1、addAll

方法聲明：

????????public static <T> boolean addAll(Collection<? super T> c, T... elements)

調用者：

????????Collections

參數：

????????Collection<? super T>c ：目標集合

? ? ? ? T...elements ：要添加的元素（可變參）

? ? ? ?

泛型中，我們常見三種形式：

1、T? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 具體類型參數

2、？extends T? ? ? 上界通配符，表示T或T的子類型

3、？super T? ? ? ? ? 下界通配符，表示T或T的父類型

????????????????????????

返回值：

????????boolean，如果集合被修改則返回true

作用：

????????將多個元素一次性添加到集合中

是否改變原始值：

????????是，會修改目標集合

源碼：

public static <T> boolean addAll(Collection<? super T> c, T... elements) {boolean result = false;for (T element : elements)result |= c.add(element);return result;
}

源碼解讀：

  • 使用可變參 T...elements 接收任意數量的元素
  • 遍歷所有元素，逐個添加到集合中
  • 使用 位或運算 |= 累計添加結果，只要有元素成功添加就返回true

示例：

import java.util.*;public class AddAllExample {public static void main(String[] args) {List<String> fruits = new ArrayList<>();// 使用 Collections.addAll 批量添加元素Collections.addAll(fruits, "apple", "banana", "orange", "grape");System.out.println("水果列表: " + fruits);// 輸出: 水果列表: [apple, banana, orange, grape]// 對比傳統方式List<String> vegetables = new ArrayList<>();vegetables.add("carrot");vegetables.add("potato");vegetables.add("tomato");System.out.println("蔬菜列表: " + vegetables);// 輸出: 蔬菜列表: [carrot, potato, tomato]}
}

2、sort

方法聲明：

? ? ? ? //自然排序版本

????????public static <T extends Comparable<? super T>> void sort(List<T> list)

? ? ? ? //比較器排序版本

????????public static <T> void sort(List<T> list, Comparator<? super T> c)

調用者：

? ? ? ? Collections

參數：

? ? ? ? List<T> list：要排序的列表

? ? ? ? Comparator<？super T>c：比較器（可選）

返回值：

? ? ? ? void

作用：

? ? ? ? 對列表進行排序

是否改變原始值：

? ? ? ? 是，會修改原列表

注意事項：

? ? ? ? 自然排序要求實現 Comparable 接口

源碼：

// 自然排序版本
public static <T extends Comparable<? super T>> void sort(List<T> list) {list.sort(null);
}// 比較器排序版本
public static <T> void sort(List<T> list, Comparator<? super T> c) {list.sort(c);
}

源碼解讀：

實際上是委托給 List 接口的 sort 方法實現

JDK 8 之后，List 接口增加了默認方法 sort，Collections.sort 成為了該方法的包裝

JDK 8 之前 Collections.sort() 實現：

// JDK 8 之前的 Collections.sort() 實現（簡化版）
public static <T extends Comparable<? super T>> void sort(List<T> list) {Object[] a = list.toArray();Arrays.sort(a);ListIterator<T> i = list.listIterator();for (int j=0; j<a.length; j++) {i.next();i.set((T)a[j]);}
}

JDK 8 之后 List 接口新增的默認方法：

// List 接口中的默認方法 sort()
default void sort(Comparator<? super E> c) {Object[] a = this.toArray();Arrays.sort(a, (Comparator) c);ListIterator<E> i = this.listIterator();for (int j=0; j<a.length; j++) {i.next();i.set((E) a[j]);}
}

JDK 8 之后 Collections.sort() 實現：

// JDK 8 之后 Collections.sort() 的實現（簡化版）
public static <T extends Comparable<? super T>> void sort(List<T> list) {list.sort(null); // 委托給 List.sort() 方法
}public static <T> void sort(List<T> list, Comparator<? super T> c) {list.sort(c); // 委托給 List.sort() 方法
}

總結一下：

  1. 功能轉移：排序核心功能被轉移到了 List 接口中
  2. 實現委托：Collections.sort() 方法現在內部調用 List.sort() 來實現排序功能

示例：

import java.util.*;public class SortExample {public static void main(String[] args) {// 自然排序示例List<Integer> numbers = new ArrayList<>();Collections.addAll(numbers, 5, 2, 8, 1, 9);System.out.println("排序前: " + numbers);Collections.sort(numbers); // 自然排序System.out.println("自然排序后: " + numbers);// 輸出: 自然排序后: [1, 2, 5, 8, 9]// 比較器排序示例（降序）List<String> words = new ArrayList<>();Collections.addAll(words, "banana", "apple", "cherry");System.out.println("排序前: " + words);Collections.sort(words, Collections.reverseOrder()); // 降序排序System.out.println("降序排序后: " + words);// 輸出: 降序排序后: [cherry, banana, apple]}
}

3、reverse

方法聲明：

????????public static void reverse(List<?> list)

調用者：

? ? ? ? Collections

參數：

? ? ? ? List<?> list ：要反轉的列表?

返回值：

? ? ? ? void

作用：

? ? ? ? 反轉集合中的元素順序

是否改變原始值：

? ? ? ? 是，會修改原集合

注意事項：

? ? ? ? 只適用于 List 類型的集合

源碼：

public static void reverse(List<?> list) {int size = list.size();if (size < REVERSE_THRESHOLD || list instanceof RandomAccess) {// 對于小列表或隨機訪問列表，直接交換元素for (int i=0, mid=size>>1, j=size-1; i<mid; i++, j--)swap(list, i, j);} else {// 對于大列表且非隨機訪問，使用ListIteratorListIterator fwd = list.listIterator();ListIterator rev = list.listIterator(size);for (int i=0, mid=list.size()>>1; i<mid; i++) {Object tmp = fwd.next();fwd.set(rev.previous());rev.set(tmp);}}
}

源碼解讀：

  • 根據列表大小和是否實現 RandomAccess 接口選擇不同的實現策略
  • 小列表或者隨機訪問列表采用直接索引交換的方式
  • 大列表且非隨機訪問采用 LIstIterator

示例：

import java.util.*;public class ReverseExample {public static void main(String[] args) {List<String> colors = new ArrayList<>();Collections.addAll(colors, "red", "green", "blue", "yellow");System.out.println("反轉前: " + colors);// 輸出: 反轉前: [red, green, blue, yellow]Collections.reverse(colors);System.out.println("反轉后: " + colors);// 輸出: 反轉后: [yellow, blue, green, red]}
}

4、shuffle

方法聲明：

????????public static void shuffle(List<?> list)

????????public static void shuffle(List<?> list, Random rnd)

調用者：

? ? ? ? Collections

參數：

? ? ? ? List<?> list：要打亂的集合

? ? ? ? Random rnd：隨機數生成器（可選）? ?

返回值：

? ? ? ? void

作用：

? ? ? ? 隨機打亂列表中的元素順序

是否改變原始值：

? ? ? ? 是，會修改原集合

注意事項：

? ? ? ? 可以傳入自定義的Random對象以控制隨機種子

源碼：

public static void shuffle(List<?> list) {Random rnd = r;if (rnd == null)r = rnd = new Random();shuffle(list, rnd);
}public static void shuffle(List<?> list, Random rnd) {int size = list.size();if (size < SHUFFLE_THRESHOLD || list instanceof RandomAccess) {for (int i=size; i>1; i--)swap(list, i-1, rnd.nextInt(i));} else {Object arr[] = list.toArray();for (int i=size; i>1; i--)swap(arr, i-1, rnd.nextInt(i));ListIterator it = list.listIterator();for (int i=0; i<arr.length; i++) {it.next();it.set(arr[i]);}}
}

源碼解讀：

  • 使用 Fisher-Yates 洗牌算法實現隨機打亂
  • 根據列表大小和是否實現 RandomAccess 接口選擇不同的實現策略

示例：

import java.util.*;public class ShuffleExample {public static void main(String[] args) {List<Integer> cards = new ArrayList<>();for (int i = 1; i <= 10; i++) {cards.add(i);}System.out.println("洗牌前: " + cards);Collections.shuffle(cards);System.out.println("洗牌后: " + cards);// 使用固定種子的隨機數生成器Collections.shuffle(cards, new Random(123));System.out.println("固定種子洗牌: " + cards);}
}

5、max/min

方法聲明：

????????public static <T> T min(Collection<? extends T> coll, Comparator<? super T> comp)

????????public static <T extends Object & Comparable<? super T>> T min(Collection<? extends T> coll)

調用者：

? ? ? ? Collections

參數：

? ? ? ? Collection<? extends T> coll：要查找的集合

? ? ? ? Comparator<? super T> comp：比較器（可選）

返回值：

? ? ? ? T，集合中的最大或最小元素

作用：

? ? ? ? 查找集合中的最大或最小元素

是否改變原始值：

? ? ? ? 否，不修改原集合

注意事項：

? ? ? ? 自然排序要求實現 Comparable 接口

? ? ? ? 空集合會拋出 NoSuchElementException

源碼：

public static <T extends Object & Comparable<? super T>> T min(Collection<? extends T> coll) {Iterator<? extends T> i = coll.iterator();T candidate = i.next();while (i.hasNext()) {T next = i.next();if (next.compareTo(candidate) < 0)candidate = next;}return candidate;
}public static <T> T min(Collection<? extends T> coll, Comparator<? super T> comp) {if (comp==null)return (T)min((Collection) coll);Iterator<? extends T> i = coll.iterator();T candidate = i.next();while (i.hasNext()) {T next = i.next();if (comp.compare(next, candidate) < 0)candidate = next;}return candidate;
}

源碼解讀：

  • 通過迭代器遍歷集合，比較元素大小
  • 自然排序使用 compareTo 方法，比較器排序使用 compare 方法

示例：

import java.util.*;public class MaxMinExample {public static void main(String[] args) {List<Integer> numbers = new ArrayList<>();Collections.addAll(numbers, 10, 5, 8, 3, 15, 7);Integer max = Collections.max(numbers);Integer min = Collections.min(numbers);System.out.println("數字列表: " + numbers);System.out.println("最大值: " + max); // 輸出: 最大值: 15System.out.println("最小值: " + min); // 輸出: 最小值: 3// 使用自定義比較器（按絕對值比較）List<Integer> negativeNumbers = new ArrayList<>();Collections.addAll(negativeNumbers, -10, 5, -8, 3);// 按絕對值找最大值Integer maxAbs = Collections.max(negativeNumbers, Comparator.comparing(Math::abs));System.out.println("絕對值最大: " + maxAbs); // 輸出: 絕對值最大: -10}
}

6、fill

方法聲明：

????????public static <T> void fill(List<? super T> list, T obj)

調用者：

? ? ? ? Collections

參數：

? ? ? ? List<? super T> list：要填充的集合

? ? ? ? T obj：用于填充的對象

返回值：

? ? ? ? void

作用：

? ? ? ? 使用指定的元素替換集合中的所有元素

是否改變原始值：

? ? ? ? 是，會修改原集合

注意事項：

? ? ? ? 集合必須已經有元素，不能是空列表

源碼：

public static <T> void fill(List<? super T> list, T obj) {int size = list.size();if (size < FILL_THRESHOLD || list instanceof RandomAccess) {for (int i=0; i<size; i++)list.set(i, obj);} else {ListIterator<? super T> itr = list.listIterator();for (int i=0; i<size; i++) {itr.next();itr.set(obj);}}
}

源碼解讀：

  • 根據列表大小和是否實現 RandomAccess 接口選擇不同的實現策略
  • 使用索引或迭代器將所有元素替換為指定對象

示例：

import java.util.*;public class FillExample {public static void main(String[] args) {List<String> list = new ArrayList<>(Arrays.asList(new String[5]));System.out.println("填充前: " + list);Collections.fill(list, "default");System.out.println("填充后: " + list);// 輸出: 填充后: [default, default, default, default, default]// 也可以用于初始化List<Integer> numbers = new ArrayList<>(Collections.nCopies(5, 0));System.out.println("初始化: " + numbers);Collections.fill(numbers, 1);System.out.println("填充為1: " + numbers);}
}

7、binarySearch

方法聲明：

????????public static <T> int binarySearch(List<? extends Comparable<? super T>> list, T key)

????????private static <T> int indexedBinarySearch(List<? extends Comparable<? super T>> list, T key)

調用者：

? ? ? ? Collections

參數：

? ? ? ? List<? extends Comparable<? super T>> list：已降序的集合

? ? ? ? T key：要查找的鍵

? ? ? ? Comparator<? super T> c：比較器（可選）?

返回值：

? ? ? ? int，找到則返回索引，未找到則返回負數

作用：

? ? ? ? 在已排序集合中查找指定元素

是否改變原始值：

? ? ? ? 否，不修改原集合

注意事項：

? ? ? ? 集合必須已經排序

? ? ? ? 返回值為負數時表示未找到，其絕對值減 1 是應該插入的位置

源碼：

public static <T> int binarySearch(List<? extends Comparable<? super T>> list, T key) {if (list instanceof RandomAccess || list.size()<BINARYSEARCH_THRESHOLD)return Collections.indexedBinarySearch(list, key);elsereturn Collections.iteratorBinarySearch(list, key);
}private static <T> int indexedBinarySearch(List<? extends Comparable<? super T>> list, T key) {int low = 0;int high = list.size()-1;while (low <= high) {int mid = (low + high) >>> 1;Comparable<? super T> midVal = list.get(mid);int cmp = midVal.compareTo(key);if (cmp < 0)low = mid + 1;else if (cmp > 0)high = mid - 1;elsereturn mid; // key found}return -(low + 1);  // key not found
}

源碼解讀：

  • 實現標準的二分查找算法
  • 根據列表是否實現 RandomAccess 接口選擇不同的實現策略

示例：

import java.util.*;public class BinarySearchExample {public static void main(String[] args) {List<Integer> sortedList = new ArrayList<>();Collections.addAll(sortedList, 1, 3, 5, 7, 9, 11, 13);int index = Collections.binarySearch(sortedList, 7);System.out.println("元素7的索引: " + index); // 輸出: 元素7的索引: 3int notFoundIndex = Collections.binarySearch(sortedList, 6);System.out.println("元素6的索引: " + notFoundIndex); // 輸出: 元素6的索引: -4System.out.println("應該插入的位置: " + (Math.abs(notFoundIndex) - 1)); // 輸出: 應該插入的位置: 3}
}

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