Collections Framework の概要

はじめに

Java プラットフォームには、Collections Framework が追加されました。コレクションとは、オブジェクトのグループを表すオブジェクト (古典的な Vector クラスなど) のことです。Collections Framework とは、コレクションを表したり操作したりする、統一されたアーキテクチャーのことで、実装の詳細に依存しない方法でコレクションを操作することができます。

Collections Framework の主な利点は、次のとおりです。

プログラミングの労力の軽減 - データ構造とアルゴリズムが提供されているため、新しく記述する必要がない。
パフォーマンスの向上 - データ構造とアルゴリズムの高性能な実装が提供されている。各インタフェースのさまざまな実装は、相互に交換できるため、実装を交換するだけでプログラムをチューンアップできる。
関連性のない API 間の相互運用が可能 - コレクションの受け渡しを可能にする共通言語が確立されている。
API の学習に必要な労力を軽減 - 特定の場面でだけ必要なコレクション API をいくつも学ぶ必要がある。
API の設計と実装に必要な労力を軽減 - 特定の場面でだけ必要なコレクション API を作成する手間を省く。
ソフトウェアの再利用を促進 - コレクションやアルゴリズムを操作するためのインタフェースを提供する。

Collections Framework は、次の要素で構成されます。

コレクションインタフェース。セット、リスト、およびマップなど、種類ごとに異なるコレクションを表す。これらのインタフェースが、フレームワークの基礎を構成する。
汎用の実装。コレクションインタフェースのプライマリ実装。
レガシー実装。Vector や Hashtable など、以前にリリースされたコレクションクラスが改良されて、コレクションインタフェースを実装した。
特殊目的の実装。特殊な状況で使用するための実装。これらの実装は、非標準の性能、使用制約、動作を表示。
並列実装。高度な並列使用で使用するための実装。
ラッパー実装。ほかの実装に、同期化などの機能を追加する。
簡易実装。コレクションインタフェースの高性能な「ミニ実装」。
抽象実装。カスタム実装を容易にする、コレクションインタフェースの部分実装。
アルゴリズム。リストのソートなど、コレクションに対し、有用な機能を実行する静的メソッド。
インフラストラクチャー。コレクションインタフェースの根幹をサポートするインタフェース。
配列ユーティリティー。プリミティブ配列および参照オブジェクト配列用のユーティリティー機能。厳密に言えば、この機能は Collections Framework の一部ではないが、Collections Framework と同時期に Java プラットフォームに追加され、同じインフラストラクチャーに依存している。

コレクションインタフェース

コレクションインタフェースは 2 つのグループにわかれます。もっとも基本的なインタフェースは java.util.Collection で、次の子孫があります。

そのほかのコレクションインタフェースは、java.util.Map に基づいていて、真の意味でのコレクションではありません。ただし、これらのインタフェースには collection-view オペレーションが含まれているため、コレクションとして操作することが可能です。Map には、次の子孫があります。

コレクションインタフェースの変更メソッドの多くには、オプションというラベルが付いています。実装では、いくつかのオペレーションの実行が許可されません。実行しようとすると、実行時例外 (UnsupportedOperationException) がスローされます。各実装のドキュメントでは、サポートされるオプションのオペレーションを指定する必要があります。この仕様を理解するための助けとして、いくつかの用語が導入されています。

変更操作 (add、remove、clear など) をサポートしないコレクションのことを変更不可能であるという。変更不可能ではないコレクションは変更可能である。
Collection オブジェクト内にどのような変更も見られないことを保証するコレクションは、不変であるという。不変ではないコレクションは可変である。
要素は変化しても、サイズが定数値であることが保証されたリストは、固定サイズであるという。固定サイズでないリストは、可変サイズであるという。
高速 (通常は一定時間) インデックスの付いた要素のアクセスをサポートするリストは、ランダムアクセスリストと呼ばれる。高速インデックスの付いた要素のアクセスをサポートしないリストは、順次アクセスリストと呼ばれる。RandomAccess マーカインタフェースを使用すると、リストでランダムアクセスをサポートすることを通知することができる。これによりジェネリックアルゴリズムがランダムアクセスリストまたは順次アクセスリストのいずれかに適用されるとき、その動作を変更してパフォーマンスを向上することができる。

実装によっては、格納する要素 (Maps の場合はキーおよび値) を限定する場合があります。要素を限定する条件には、次のようなものがあります。

特定の型。
null 以外。
任意に選んだある述語に適合。

実装の制限に適合しない要素を追加しようとすると、実行時例外が発生します。典型的な実行時例外には、ClassCastException、IllegalArgumentException、また NullPointerException があります。実装の制限に適合しない要素を削除またはテストしようとすると、例外が発生することがあります。制限付きのコレクションによっては、その使用法を許可していることがあります。

コレクションの実装

一般に、コレクションインタフェースを実装するクラスは、<Implementation-style><Interface> という形式の名前を持ちます。次の表に、汎用の実装の概要を示します。

インタフェース	ハッシュテーブル	サイズ変更可能な配列	バランスツリー	リンクリスト	ハッシュテーブル + リンクリスト
`Set`	`HashSet`		`TreeSet`		`LinkedHashSet`
`List`		`ArrayList`		`LinkedList`
`Deque`		`ArrayDeque`		`LinkedList`
`Map`	`HashMap`		`TreeMap`		`LinkedHashMap`

汎用の実装は、コレクションインタフェースのオプションのオペレーションをすべてサポートしています。また、格納する要素に制限はありません。これらの実装は非同期ですが、Collections クラスには、同期ラッパーと呼ばれる static ファクトリが含まれます。同期ラッパーは、同期をとらない多くのコレクションに同期をとる機能を追加するために使用されます。新規の実装にはすべて、フェイルファストイテレータが含まれます。フェイルファストイテレータは、無効な並列変更を探知し、すばやくクリーンにフェイルします。不規則な動作はしません。

AbstractCollection、AbstractSet、AbstractList、AbstractSequentialList、および AbstractMap クラスは、コアコレクションインタフェースの基本的な実装を提供し、実装に必要な手間を最小限に抑えます。これらのクラスの API ドキュメントには、各メソッドがどのように実装されているかが説明されているため、実装者は、特定の実装の「基本オペレーション」のパフォーマンスに基づき、どのメソッドをオーバーライドしたらよいかがわかります。

並行処理コレクション

複数のスレッドからのコレクションを使用するアプリケーションは、慎重にプログラミングする必要があります。一般に、これは並行プログラミングと呼ばれます。Java プラットフォームは、並行プログラミングを幅広くサポートします。詳細については、「Java 並行処理ユーティリティー」を参照してください。

コレクションは使用頻度が高いため、コレクションの並行処理に適した各種のインタフェースおよび実装が API に含まれています。これらのタイプは、前述の同期ラッパーを超えて、並行プログラミングで頻繁に必要とされる機能を提供します。

並行処理に対応するこれらのインタフェースを使用できます。

並列処理に対応する次の実装クラスを使用できます。これらの実装の適切な使用法については、API ドキュメントを参照してください。

設計目標

設計上の主要な目標は、実際のサイズにおいて、またより重要性の高い「概念の重さ」においても小さい API を作成することでした。現在の Java プログラマにとって、この新機能が大きく違うものには見えないようにするということも非常に重要な点でした。このため、既存の機能を置き換えるのではなく、機能を追加する必要がありました。同時に、この新しい API は、上記の利点すべてを提供できるような強力なものにする必要がありました。

コアインタフェースを小さく保つために、インタフェースはこのようなわずかな違いを可変、修正、サイズ変更としてはとらえません。コアインタフェースでのある種の呼び出しはオプションであり、実装は、特定の省略可能なオペレーションに関しては UnsupportedOperationException をスローして、サポートしないことを示せるようにしました。コレクションの実装者は、実装がオプションのオペレーションのうち、どれをサポートしているかをドキュメントに明示する必要があります。

各コアインタフェース内のメソッドの数を少数に保つために、メソッドが次のどれかの場合にだけ、インタフェースはメソッドを格納します。

真に基礎的なオペレーションである。つまり、このメソッドを利用してほかのメソッドを定義可能である。
重要な実装がそのメソッドをオーバーライドすることを望むだけの、パフォーマンス上の強力な理由がある。

コレクションの妥当な表現が、すべて相互運用可能であることは重要な要件です。この表現には配列が含まれます。配列は、言語を変えずに直接 Collection インタフェースを実装することはできません。このため、フレームワークには、コレクションを配列に移動できるメソッド、コレクションとみなすことのできる配列、およびコレクションとみなすことのできるマップが含まれています。

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