java 集合 之 集合工具类Collections

前言

        早期开发者经常需要对集合进行各种操作

        比如排序、查找最大最小值等等

        但是当时没有统一的工具类来处理

        所以导致代码重复且容易出错

        

        java.util.Collections 工具类的引入

        为开发者提供了大量 静态方法 来操作集合

        它就像一个经验丰富的助手

        和数组工具类 Arrays 一样

        避免了我们重复造轮子的情况

一、Collections 工具类概述

java.util.Collections 是一个操作集合的工具类

提供大量 静态方法 来 操作 或 返回 集合

源码：

// Collections 类的声明
public class Collections {// 私有构造函数，防止实例化private Collections() {}// ... 大量静态方法
}

通过源码我们可以看出：

  • Collections 是一个很纯粹的工具类
  • 没有继承，没有实现，父类是 Object
  • 构造器私有，不能实例化对象 

注意区分：

        Collections 是集合的工具类

        Collection   是单列集合的根接口

二、核心方法

1、addAll

方法声明：

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

调用者：

        Collections

参数：

        Collection<? super T>c ：目标集合

        T...elements ：要添加的元素（可变参）

       

泛型中，我们常见三种形式：

1、T                        具体类型参数

2、？extends T      上界通配符，表示T或T的子类型

3、？super T          下界通配符，表示T或T的父类型

                        

返回值：

        boolean，如果集合被修改则返回true

作用：

        将多个元素一次性添加到集合中

是否改变原始值：

        是，会修改目标集合

源码：

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

源码解读：

  • 使用可变参 T...elements 接收任意数量的元素
  • 遍历所有元素，逐个添加到集合中
  • 使用 位或运算 |= 累计添加结果，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);// 输出: 水果列表: [apple, banana, orange, grape]// 对比传统方式List<String> vegetables = new ArrayList<>();vegetables.add("carrot");vegetables.add("potato");vegetables.add("tomato");System.out.println("蔬菜列表: " + vegetables);// 输出: 蔬菜列表: [carrot, potato, tomato]}
}

2、sort

方法声明：

        //自然排序版本

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

        //比较器排序版本

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

调用者：

        Collections

参数：

        List<T> list：要排序的列表

        Comparator<？super T>c：比较器（可选）

返回值：

        void

作用：

        对列表进行排序

是否改变原始值：

        是，会修改原列表

注意事项：

        自然排序要求实现 Comparable 接口

源码：

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

源码解读：

实际上是委托给 List 接口的 sort 方法实现

JDK 8 之后，List 接口增加了默认方法 sort，Collections.sort 成为了该方法的包装

JDK 8 之前 Collections.sort() 实现：

// JDK 8 之前的 Collections.sort() 实现（简化版）
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 接口新增的默认方法：

// List 接口中的默认方法 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() 实现：

// JDK 8 之后 Collections.sort() 的实现（简化版）
public static <T extends Comparable<? super T>> void sort(List<T> list) {list.sort(null); // 委托给 List.sort() 方法
}public static <T> void sort(List<T> list, Comparator<? super T> c) {list.sort(c); // 委托给 List.sort() 方法
}

总结一下：

  1. 功能转移：排序核心功能被转移到了 List 接口中
  2. 实现委托：Collections.sort() 方法现在内部调用 List.sort() 来实现排序功能

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);// 输出: 自然排序后: [1, 2, 5, 8, 9]// 比较器排序示例（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);// 输出: 降序排序后: [cherry, banana, apple]}
}

3、reverse

方法声明：

        public static void reverse(List<?> list)

调用者：

        Collections

参数：

        List<?> list ：要反转的列表 

返回值：

        void

作用：

        反转集合中的元素顺序

是否改变原始值：

        是，会修改原集合

注意事项：

        只适用于 List 类型的集合

源码：

public static void reverse(List<?> list) {int size = list.size();if (size < REVERSE_THRESHOLD || list instanceof RandomAccess) {// 对于小列表或随机访问列表，直接交换元素for (int i=0, mid=size>>1, j=size-1; i<mid; i++, j--)swap(list, i, j);} else {// 对于大列表且非随机访问，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);}}
}

源码解读：

  • 根据列表大小和是否实现 RandomAccess 接口选择不同的实现策略
  • 小列表或者随机访问列表采用直接索引交换的方式
  • 大列表且非随机访问采用 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("反转前: " + colors);// 输出: 反转前: [red, green, blue, yellow]Collections.reverse(colors);System.out.println("反转后: " + colors);// 输出: 反转后: [yellow, blue, green, red]}
}

4、shuffle

方法声明：

        public static void shuffle(List<?> list)

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

调用者：

        Collections

参数：

        List<?> list：要打乱的集合

        Random rnd：随机数生成器（可选）   

返回值：

        void

作用：

        随机打乱列表中的元素顺序

是否改变原始值：

        是，会修改原集合

注意事项：

        可以传入自定义的Random对象以控制随机种子

源码：

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]);}}
}

源码解读：

  • 使用 Fisher-Yates 洗牌算法实现随机打乱
  • 根据列表大小和是否实现 RandomAccess 接口选择不同的实现策略

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);// 使用固定种子的随机数生成器Collections.shuffle(cards, new Random(123));System.out.println("固定种子洗牌: " + cards);}
}

5、max/min

方法声明：

        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)

调用者：

        Collections

参数：

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

        Comparator<? super T> comp：比较器（可选）

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

是否改变原始值：

        否，不修改原集合

注意事项：

        自然排序要求实现 Comparable 接口

        空集合会抛出 NoSuchElementException

源码：

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;
}

源码解读：

  • 通过迭代器遍历集合，比较元素大小
  • 自然排序使用 compareTo 方法，比较器排序使用 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("数字列表: " + numbers);System.out.println("最大值: " + max); // 输出: 最大值: 15System.out.println("最小值: " + min); // 输出: 最小值: 3// 使用自定义比较器（按绝对值比较）List<Integer> negativeNumbers = new ArrayList<>();Collections.addAll(negativeNumbers, -10, 5, -8, 3);// 按绝对值找最大值Integer maxAbs = Collections.max(negativeNumbers, Comparator.comparing(Math::abs));System.out.println("绝对值最大: " + maxAbs); // 输出: 绝对值最大: -10}
}

6、fill

方法声明：

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

调用者：

        Collections

参数：

        List<? super T> list：要填充的集合

        T obj：用于填充的对象

返回值：

        void

作用：

        使用指定的元素替换集合中的所有元素

是否改变原始值：

        是，会修改原集合

注意事项：

        集合必须已经有元素，不能是空列表

源码：

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);}}
}

源码解读：

  • 根据列表大小和是否实现 RandomAccess 接口选择不同的实现策略
  • 使用索引或迭代器将所有元素替换为指定对象

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);// 输出: 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("填充为1: " + numbers);}
}

7、binarySearch

方法声明：

        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)

调用者：

        Collections

参数：

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

        T key：要查找的键

        Comparator<? super T> c：比较器（可选） 

返回值：

        int，找到则返回索引，未找到则返回负数

作用：

        在已排序集合中查找指定元素

是否改变原始值：

        否，不修改原集合

注意事项：

        集合必须已经排序

        返回值为负数时表示未找到，其绝对值减 1 是应该插入的位置

源码：

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
}

源码解读：

  • 实现标准的二分查找算法
  • 根据列表是否实现 RandomAccess 接口选择不同的实现策略

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); // 输出: 元素7的索引: 3int notFoundIndex = Collections.binarySearch(sortedList, 6);System.out.println("元素6的索引: " + notFoundIndex); // 输出: 元素6的索引: -4System.out.println("应该插入的位置: " + (Math.abs(notFoundIndex) - 1)); // 输出: 应该插入的位置: 3}
}

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