Seznam, množina, iterátory

Tomáš Pitner, Radek Ošlejšek, Marek Šabo

Potomci Collection

Podívejme se na potomky třídy Collection, konkrétně:

  • rozhraní List, implementace:

    • ArrayList

    • LinkedList

  • rozhraní Set, implementace:

    • HashSet

Seznam, List

  • něco jako dynamické pole

  • každý uložený prvek má svou pozici — číselný index

  • index je celočíselný, nezáporný, typu int

  • možnost procházení seznamu dopředně i zpětně

  • lze pracovat i s podseznamy:

List<E> subList(int fromIndex, int toIndex)

Implementace seznamu — ArrayList

  • nejpoužívanější implementace seznamu

  • využívá pole pro uchování prvků

  • při zvětšování/zmenšování se vytváří nové pole a prvky se musejí přesouvat (gif)

  • rychlý přístup k prvkům dle indexu

  • pomalé operace přidávání a odebírání prvků blíže k začátku seznamu (pole, v němž je seznam, se musí realokovat)

Javadoc třídy ArrayList

Implementace seznamu — LinkedList

  • druhá nejpoužívanější implementace seznamu

  • využívá zřetězený seznam pro uchování prvků

  • pomalejší operace přístupu k prvkům dle indexu "uvnitř" seznamu

  • rychlejší operace přidávání a odebírání prvků na začátku a na konci, resp. blízko nich

Javadoc třídy LinkedList

ArrayList vs. LinkedList

ArrayList vs. LinkedList

Kontejnery ukladají pouze jeden typ, v tomto případě String.

Výkonnostní porovnání seznamů

  • Operace nad ArrayList vs LinkedList

    add 100000 elements                       | 12 ms     | 8 ms
remove all elements from last to first    | 5 ms      | 9 ms
add 100000 elements at 0th position       | **1025 ms**   | 18 ms
remove all elements from 0th position     | **1014 ms**   | 10 ms
add 100000 elements at random position    | 483 ms    | **34504 ms**
remove all elements from random position  | 462 ms    | **36867 ms**

Konstruktory seznamů

  • ArrayList()

    • vytvoří prázdný seznam (s kapacitou 10 prvků)

  • ArrayList(int initialCapacity)

    • vytvoří prázdný seznam s danou kapacitou

  • ArrayList(Collection<? extends E> c)

    • vytvoří seznam a naplní ho prvky kolekce c

Kapacita reprezentuje interní kapacitu, neznamená to počet null prvků v nové kolekci!

Vytváření kolekcí

Statické "factory" metody:

  • List.of(elem1, elem2, …​)

    • vytvoří seznam a naplní ho danými prvky

    • vrátí nemodifikovatelnou kolekci

  • analogicky Set.of, Map.of

  • jestli chceme kolekci modifikovatelnou, musíme vytvořit novou:

List<String> modifiableList = new ArrayList<>(List.of("Y", "N"));

Na zamyšlení

  • Jak udělám se seznamu typu List kolekci Collection?

// change the type, it is its superclass
Collection<Long> collection = list;

  • Jak udělám z kolekce Collection seznam List ?

// create new list
List<Long> l = new ArrayList<>(collection);

Metody rozhraní List I

Rozhraní List dědí od Collection.

Kromě metod v Collection obsahuje další metody:

  • E get(int index)

    • vrátí prvek na daném indexu

    • IndexOutOfBoundsException je-li mimo rozsah

  • E set(int index, E element)

    • nahradí prvek s indexem index prvkem element

    • vrátí předešlý prvek

Metody rozhraní List II

  • void add(int index, E element)

    • přidá prvek na daný index (prvky za ním posune)

  • E remove(int index)

    • odstraní prvek na daném indexu (prvky za ním posune)

    • vrátí odstraněný prvek

  • int indexOf(Object o)

    • vrátí index prvního výskytu o

    • jestli kolekce prvek neobsahuje, vrátí -1

  • int lastIndexOf(Object o) pro index posledního výskytu

Příklad použití seznamu

List<String> list = new ArrayList<>();
list.add("A");
list.add("C");
list.add(1, "B");
// ["A", "B", "C"]

list.get(2); // "C"
list.set(1, "D"); // "B"
list.indexOf("D"); // 1

Množina, Set

  • odpovídá matematické představě množiny

  • prvek lze do množiny vložit nejvýš jedenkrát

  • při porovnávání rozhoduje rovnost podle výsledku volání equals

  • umožňuje rychlé dotazování na přítomnost prvku

  • provádí rychle atomické operace (se složitostí O(1), O(log(n))):

    • vkládání prvku — add

    • odebírání prvku — remove

    • dotaz na přítomnost prvku — contains

Množiny jsou primárně bez pořadí, bez uspořádání, existuje však i množina s uspořádáním.

Equals & hashCode — opakování

Equals

zjistí, jestli jsou objekty logicky stejné (porovnání atributů).

HashCode

vrací pro logicky stejné objekty stejné číslo, haš.

Hash

je falešné ID — pro různé objekty může hashCode vracet stejný haš.

Implementace množiny — HashSet

  • Ukladá objekty do hašovací tabulky podle haše

  • Ideálně konstantní operace (tj. sub-logaritmická složitost)

  • Když má více prvků stejný haš, existuje více způsobů řešení

  • Pro (ne úplně ideální) hashCode x + y vypadá tabulka následovně:

    haš  | objekt
0    | [0,0]
1    | [1,0]
2    |
3    | [2,1]
Javadoc třídy HashSet

HashSet pod lupou

  • boolean contains(Object o)

    • vypočte haš tázaného prvku o

    • v tabulce najde objekt uložený pod stejným hašem

    • objekt porovná s o pomocí equals

  • Co když mají všechny objekty stejný haš?

    • Množinové operace budou velmi, velmi pomalé.

  • Co když porušíme kontrakt metody hashCode (pro stejné objekty vrátí různá čísla)?

    • Množina přestane fungovat jako množina, bude obsahovat duplicity!

Další implmentací množiny je LinkedHashSet = Hash Table + Linked List

Další lineární struktury

zásobník

třída Stack, struktura LIFO

fronta

třída Queue, struktura FIFO

  • fronta může být také prioritní — PriorityQueue

oboustranná fronta

třída Deque (čteme "deck")

  • slučuje vlastnosti zásobníku a fronty

  • nabízí operace příslušné oběma typům

Starší typy kontejnerů

  • Existují tyto starší typy kontejnerů (za → uvádíme náhradu):

    • Hashtable → HashMap, HashSet (podle účelu)

    • Vector → List

    • Stack → List nebo lépe Queue či Deque

Kontejnery a primitivní typy

  • Kontejnery ukládájí pouze odkazy na objekty, neukládají primitivní typy.

  • Proto používame jejich objektové protějšky — Integer, Char, Boolean, Double…​

  • Java automaticky dělá tzv. autoboxing — konverzi primitivního typu na objekt

  • Pro zpětnou konverzi se analogicky dělá tzv. unboxing

List<Integer> list = new ArrayList<>();
list.add(new Integer(1));
list.add(1); // autoboxing
int primitiveType = list.get(0); // unboxing

Procházení kolekcí

Základní typy:

for-each cyklus

  • jednoduché, intuitivní

  • nepoužitelné pro modifikace samotné kolekce

iterátory

  • náročnější, užitečnější

  • modifikace povolena

lambda výrazy s forEach

  • strašidelné

For-each cyklus I

  • Je rozšířenou syntaxí cyklu for.

  • Umožňuje procházení kolekcí i polí.

List<Integer> numbers = List.of(1, 1, 2, 3, 5);
for(Integer i: list) {
   System.out.println(i);
}

For-each cyklus II

  • For-each neumožňuje modifikace kolekce.

  • Jestli kolekci změníme, nemůžeme pokračovat v iterování — dojde k vyhození ConcurrentModificationException.

  • Odstranění prvku a vyskočení z cyklu však funguje:

Set<String> set = Set.of("Donald Trump", "Barrack Obama");
for(String s: set) {
  if (s.equals("Donald Trump")) {
    set.remove(s);
    break;
  }
}

Iterátory

  • Sekvenční procházení prvků kolekce v neurčeném pořadí nebo uspořádání (u uspořádaných kolekcí)

  • Každý iterátor musí implementovat velmi jednoduché rozhraní Iterator<E>

  • Běžné použití pomocí while:

Set<Integer> set = Set.of(1, 2, 3);
Iterator<Integer> iterator = set.iterator();
while(iterator.hasNext()) {
  Integer element = iterator.next();
  ...
}

Metody iterátorů

  • E next()

    • vrátí následující prvek

    • NoSuchElementException jestli iterace nemá žádné zbývající prvky

  • boolean hasNext()

    • true jestli iterace obsahuje nějaký prvek

  • void remove()

    • odstraní prvek z kolekce

    • maximálně jednou mezi jednotlivými voláními next()

Iterátor — příklad

Pro procházení iterátoru se dá použít i for cyklus:

Set<String> set = Set.of("Donald Trump", "Barrack Obama", "Hillary Clinton");

for (Iterator<String> iter = set.iterator(); iter.hasNext();) {
  String element = iter.next();
  if (!element.equals("Barrack Obama")) iter.remove();
}
Roli iterátoru plnil dříve výčet (Enumeration) — nepoužívat.

Repl.it demo k iterátorům (a komparátorům z příští přednášky)

Kontejnery kontejnerů

  • Kromě kontejnerů obsahujících již koncové hodnoty, jsou často používané i kontejnery obsahující další kontejnery:

  • Například List<Set<Integer>> bude obsahovat seznam množin celých čísel, tedy třeba [{1, 4, -2}, {0}, {-1, 3}].

  • Nebo mapa, která studentům přiřazuje seznam známek Map<Student, List<Integer>>.

Repl.it demo ke kontejnerům kontejnerů