Java Tutorial 第二堂（2）容器與流程語法




想想你平時撰寫的一些應用程式，大部份是在處理一組資料，Java 對管理資料用的容器（Container）型態，在語法上提供直接支援的只有陣列，其餘則是以程式庫的形式存在，除了標準程式庫之外，還有各式開放原始碼程式庫可供選擇。

在這邊將會介紹 Java 中的陣列、List、Set，在鍵（Key）值（Value）結構的型態上，則介紹 Map。除了標準 API 的容器類別實作之外，還介紹了 guava-libraries 的 Collections 實作。

陣列型態

Java 目前唯一在語法上提供支援的是陣列，如果你需要容量固定且有序的容器，就可以使用陣列。例如 Integer[] numbers = {1, 2, 3};，可以建立容量為 3 的陣列而索引為 0、1、2 的陣列。

在 Java 中陣列是物件，雖然如此，基本上與陣列有關的屬性只有 length，可用來取得陣列的容量。如果你想對陣列做任何其他操作，可以使用 java.util.Arrays 提供的 static 方法。像是使用 fill 於陣列中填充元素、使用 copyOf 來複製陣列等簡單操作，若是需要更多對容器的操作，建議使用其他容器型態。

List 型態

如果需要有序具索引特性的容器，且需要比陣列擁有更多功能，可以使用 List，這個型態定義在 java.util 套件中。如果已知有若干元素，可以使用 java.util.Arrays 提供的 static 方法 asList 來建立 List 實作物件。例如： 
List<Integer> numbers = Arrays.asList(1, 2, 3);

如果事先不知道要收集哪些元素，可以直接建立 List 的實作物件，你完全可以視需求採用適當資料結構實作的物件，像是內部實作採陣列的 ArrayList、採鏈結的 LinkedList 等標準 API 中定義的物件，甚至是來自開放原始碼的 List 實作物件，像是後續會介紹的 guava-libraries。例如，如果你需要在收集之後，擁有較好的索引存取效率，可以採用 ArrayList。 
List<Integer> numbers = Arrays.asList(1, 2, 3);
List<Integer> collector = new ArrayList<>();
collector.add(10);
collector.addAll(numbers);
collector.size(); // 4

在上面的範例中，由於宣告 collector 時已經指定了 List<Integer>，表示要收集的元素都是 Integer，因此建構實作物件 ArrayList 時，就不用於 <> 中再指定 Integer 型態，編譯器會自行由 collector 的型態中推斷，ArrayList 中裝載的型態是 Integer，實際上這是 JDK7 之後的新功能，在之前版本，你必須明確地定義為 List<Integer> collector = new ArrayList<Integer>()。

Set 型態

Set 型態是無序群集（Collection），管理的元素不會重複，照例地，你可以擁需求選用適當的資料結構實作物件，像是基於雜湊（Hash）的 HashSet，或者是基於紅黑樹實作的 TreeSet。以下是使用 Set 來模彷 Python Tutorial 第二堂（2）中 set 的示範： 
import java.util.*;
import static java.lang.System.out;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Set<String> admins = new HashSet<>(Arrays.asList("Justin", "caterpillar"));
        Set<String> users = new HashSet<>(Arrays.asList("momor", "hamini", "Justin"));

        out.println(admins.contains("Justin")); // 是否在站長群？true

        Set<String> intersection = new HashSet<>(admins);
        intersection.retainAll(users); // 同時是站長群也是使用者群的？
        out.println(intersection);  // [Justin]

        Set<String> union = new HashSet<>(admins);
        union.addAll(users);  // 是站長群或是使用者群的？
        out.println(union);  // [momor, hamini, Justin, caterpillar]

        Set<String> adminsButNotUsers = new HashSet<>(admins);
        adminsButNotUsers.removeAll(users);  // 站長群但不使用者群的？
        out.println(adminsButNotUsers);  // [caterpillar]

        Set<String> xor = new HashSet<>(union);
        xor.removeAll(intersection);  // xor
        out.println(xor); // [momor, hamini, caterpillar]

        out.println(admins.containsAll(users));  // ∈，false
        out.println(users.containsAll(admins));  // false
    }
}

除了 List、Set 本身定義的操作之外，有些操作可以在 java.util.Collections 的 static 方法找到。

Map 型態

鍵值對應的物件，在 Java 中可使用 Map 型態，你可以依需求選用適當的資料結構實作，像是 HashMap、TreeMap 等，以下是模彷 Python Tutorial 第二堂（2）中 dict 的示範： 
import java.util.*;
import static java.lang.System.out;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Map<String, Integer> passwords = new HashMap<>();
        passwords.put("Justin", 123456);
        passwords.put("caterpillar", 93933);

        out.println(passwords.get("Justin")); // 123456

        passwords.put("Hamimi", 970221);  // 增加一對鍵值
        out.println(passwords);  // {Justin=123456, caterpillar=93933, Hamimi=970221}

        passwords.remove("caterpillar");  // 刪除一對鍵值
        out.println(passwords);  // {Justin=123456, Hamimi=970221}

        out.println(passwords.entrySet()); // [Justin=123456, Hamimi=970221]
        out.println(passwords.keySet());   // [Justin, Hamimi]
        out.println(passwords.values());   // [123456, 970221]
    }
}

Guava Collections

Java 標準 API 的容器物件，著重在功能性的定義與實作，少於考量易用性，加上 Java 本身又是靜態定型（Statically-typed）語言，不少地方都需要型態宣告，因而使用上就現今眼光來說，頗為不便。Java 的世界中有不少的開放原始碼程式庫，可以補強 Java 在這方面的不足，在這邊使用一下 guava-libraries 的 Collections，讓需求在操作上比較方便一些。

練習 5：使用 Guava Collections

在這個練習中，將使用 Guava Collections 來改寫先前的一些範例，不過在急著到 Guava 官方網站下載相關 jar 檔案之前，別忘了我們有安裝 Gradle，它可以自動幫你下載 jar 檔案，為此，先在使用者目錄下建立一個 Collections 目錄與 Gradle 慣例的相關子目錄： 
~$ mkdir Collections
~$ cd Collections
~/Collections$ mkdir -p src/main/java
~/Collections$ st2 build.gradle

最後一個指令建立了 build.gradle 檔案，你可以如下撰寫，使用 'java'、'application' 的 plugin，設定 mainClassName，下載 jar 檔案的來源，以及你想要下載的程式庫名稱、版本等。 
apply plugin: 'java'
apply plugin:'application'
mainClassName = "Main"

repositories {
  mavenCentral()
}

dependencies {
  compile group: 'com.google.guava', name: 'guava', version: '15.0'
}

接著編輯 Main.java 
~/Collections$ st2 src/main/java/Main.java

內容如下： 
import java.util.*;
import com.google.common.collect.*;
import static java.lang.System.*;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        // List Demo
        List<Integer> numbers = Arrays.asList(1, 2, 3);
        List<Integer> collector = 
            ImmutableList.<Integer>builder()
                         .add(10)
                         .addAll(numbers)
                         .build();

        out.println(collector.size()); // 4

        // Set Demo
        Set<String> admins = ImmutableSet.of("Justin", "caterpillar");
        Set<String> users = ImmutableSet.of("momor", "hamini", "Justin");

        // 是否在站長群？true
        out.println(admins.contains("Justin")); 
        // 同時是站長群也是使用者群的？ [Justin]
        out.println(Sets.intersection(admins, users)); 
        // 是站長群或是使用者群的？ [Justin, caterpillar, momor, hamini]
        out.println(Sets.union(admins, users)); 
        // 站長群但不使用者群的？ [caterpillar]
        out.println(Sets.difference(admins, users)); 
        // xor [caterpillar, momor, hamini]
        out.println(Sets.symmetricDifference(admins, users)); 
        // ∈，false
        out.println(admins.containsAll(users));  
        // false
        out.println(users.containsAll(admins));  

        // Map Demo
        Map<String, Integer> passwords = 
            ImmutableMap.of("Justin", 123456, "caterpillar", 93933);

        out.println(passwords.get("Justin")); // 123456
        out.println(passwords.entrySet()); // [Justin=123456, Hamimi=970221]
        out.println(passwords.keySet());   // [Justin, Hamimi]
        out.println(passwords.values());   // [123456, 970221]
    }
}

比較一下與先前範例的差別，看看有沒有比較方便與清楚一些，然後執行 gradle run： 
~/Collections$ gradle run

第一次執行時，Gradle 會自動下載 jar 檔案，然後進行編譯與執行，你應該看到以下結果： 
4
true
[Justin]
[Justin, caterpillar, momor, hamini]
[caterpillar]
[caterpillar, momor, hamini]
false
false
123456
[Justin=123456, caterpillar=93933]
[Justin, caterpillar]
[123456, 93933]

如果想要瞭解更多有關 Guava Collections 或更多 guava-libraries 的介紹，可以參考本站的 Guava 教學。

if、switch、while 與 for

流程語法中最簡單的 if..else 分支判斷，在 Java 中是這樣寫的： 
if(args.length > 1) {
    out.println("Hello, " + args[0]);
} else {
    out.println("Hello, Guest");
}

Java 中的 if..else 是陳述（Statement），有個類似運算式（Expression）形式是三元運算子 ?:。? 前的條件式成立的話，會傳回 : 左邊的值，否則傳回 : 右邊的值。例如上面的程式也可以寫為： 
out.printf("Hello, %s%n", args.length > 1 ? args[0] : "Guest")

如果想要比對的是某些值，在 Java 中可以使用 switch，它可以用在整數、字串、字元等的比對。例如在 Java Tutorial 第二堂（1）中就看過字串的比對： 
    ...
        switch(args[1]) {
            case "+": out.println(x.add(y)); break;
            case "-": out.println(x.subtract(y)); break;
            case "x": out.println(x.multiply(y)); break;
            case "/": out.println(x.divide(y));
        }
    ...

while 迴圈可以使用在結束條件不確定的情況下。例如求最大公因數可以如下： 
public class GCD {
    public static void main(String[] args) {
        int m = Integer.parseInt(args[0]);
        int n = Integer.parseInt(args[1]);
        while(n != 0) {
            int r = m % n;
            m = n;
            n = r;
        }
        System.out.printf("GCD: %d%n", m);
    }
}

for 通常用來進行索引相關的迴圈，例如指定索引迭代命令列引數： 
for(int i = 0; i < args.length; i++) {
    out.println(args[i]);
}

從頭至尾循序存取是很常見的需求，這邊介紹到的陣列、List、Set 等，其實都可以使用 foreach 語法，將元素從頭至尾循序迭代： 
for(String arg : args) {
    out.println(arg);
}

實際上，只要是具備 java.lang.Iterable 行為的物件，都可以搭配 foreach 語法，像是 Java Tutorial 第一堂（4）中使用到的 Path 實例，就可以搭配 foreach 來迭代路徑資訊。

練習 6：使用 foreach 迭代路徑

在 Java 中，可以查看 API 文件，確認物件是否擁有某些行為。舉例來說，想瞭解 List 是否為一種 Iterable，可以查看 List 的 API 文件：

java-tutorial-the-2nd-class-2-container-flow-1

在 All Superinterfaces 上，可以看到 Iterable，這表示 List 也是一種 Iterable。如果想知道總共有哪些物件具有 Iterable 的行為，則可以查看 Iterable 的 API 文件，看看它的 All Know Implementing Classes 有哪些。

類似地，查看一下 Path 的 API 文件，可以發現它也是一種 Iterable，因此可以撰寫一個程式如下： 
import java.nio.file.*;

public class ForEach {
    public static void main(String[] args) {
        for(Path parent : Paths.get(args[0])) {
            System.out.println(parent);
        }
    }
}

這個程式可以接受命令列引數，你可以指定一個目錄，程式將會將每個子路徑顯示出來，你可以使用 javac 編譯、java 來執行，或者是使用至目前為止習得的 Gradle 工具來建構程式並執行。