Colecții de Obiecte

Cuprins

Introducere în Colecții
Interfața Collection
Ierarhia Colecțiilor
Tipuri de Colecții
Algoritmi și Utilitare pentru Colecții
Operații Comune
Colecții Thread-Safe
Colecții în Java 8+
Bune Practici
Exemplu Complet
Exerciții Practice

Introducere în Colecții

Colecțiile reprezintă unul dintre cele mai importante concepte în programarea Java, oferind structuri de date flexibile pentru stocarea și manipularea grupurilor de obiecte. Framework-ul Java Collections a fost introdus în Java 1.2 și a evoluat constant, devenind o componentă esențială a limbajului.

Ce sunt colecțiile?

Colecțiile sunt containere care grupează multiple elemente într-o singură unitate. Ele sunt folosite pentru:

Stocarea, recuperarea și manipularea datelor
Transmiterea datelor de la o metodă la alta
Reprezentarea datelor în formă de stivă, coadă, listă sau hartă

Avantajele utilizării colecțiilor:

Reducerea efortului de programare prin utilizarea implementărilor predefinite
Îmbunătățirea performanței programului prin utilizarea unor algoritmi eficienți
Creșterea calității prin utilizarea unor implementări complet testate
Reutilizabilitate și interoperabilitate între API-uri diferite
Extinderea ușoară pentru a adapta comportamentul la cerințe specifice

Interfața Collection

La baza framework-ului se află interfața Collection, care definește operațiile de bază ce pot fi efectuate pe orice colecție:

public interface Collection<E> extends Iterable<E> {
    // Operații de bază
    boolean add(E element);
    boolean remove(Object element);
    boolean contains(Object element);
    int size();
    boolean isEmpty();
    void clear();
    
    // Conversii
    Iterator<E> iterator();
    Object[] toArray();
    <T> T[] toArray(T[] a);
    
    // Operații bulk
    boolean containsAll(Collection<?> c);
    boolean addAll(Collection<? extends E> c);
    boolean removeAll(Collection<?> c);
    boolean retainAll(Collection<?> c);
}

Fiind o interfață, Collection nu poate fi instanțiată direct, ci trebuie utilizate clasele concrete care o implementează.

Ierarhia Colecțiilor

Framework-ul Java Collections este organizat într-o ierarhie de interfețe și clase:

Iterable
  └── Collection
       ├── List
       │    ├── ArrayList
       │    ├── LinkedList
       │    └── Vector
       │         └── Stack
       │
       ├── Set
       │    ├── HashSet
       │    │    └── LinkedHashSet
       │    └── SortedSet
       │         └── TreeSet
       │
       └── Queue
            ├── PriorityQueue
            └── Deque
                 ├── ArrayDeque
                 └── LinkedList

Separat de interfața Collection, există și interfața Map care formează o ierarhie paralelă:

Map
 ├── HashMap
 │    └── LinkedHashMap
 ├── SortedMap
 │    └── TreeMap
 ├── Hashtable
 └── WeakHashMap

Tipuri de Colecții

Liste (Lists)

Listele sunt colecții ordonate care pot conține elemente duplicate. Elementele sunt indexate numeric, începând de la 0, și pot fi accesate prin poziția lor în listă.

ArrayList

ArrayList este implementarea cea mai utilizată a interfeței List, bazată pe un array dinamic:

List<String> lista = new ArrayList<>();
lista.add("primul");
lista.add("al doilea");
lista.add("primul");  // Permite duplicate

String element = lista.get(1);  // Returnează "al doilea"
lista.set(1, "modificat");      // Modifică elementul de la index 1
lista.remove(0);                // Elimină primul element

Caracteristici:

Acces rapid la elemente (timp constant O(1))
Operații lente de inserare/ștergere în mijlocul listei (O(n))
Utilizare eficientă a memoriei pentru liste mari
Creștere dinamică a capacității când este necesar

LinkedList

LinkedList implementează atât interfața List, cât și Deque, utilizând o listă dublu înlănțuită:

List<String> lista = new LinkedList<>();
lista.add("primul");
lista.add("al doilea");

// LinkedList poate fi și utilizată ca o coadă sau stivă
LinkedList<String> linkedList = new LinkedList<>(lista);
linkedList.addFirst("nou primul");
linkedList.addLast("ultimul");
String primul = linkedList.getFirst();
String ultimul = linkedList.removeLast();

Caracteristici:

Inserări și ștergeri rapide oriunde în listă (O(1), dar necesită găsirea poziției)
Acces mai lent la elemente aleatorii (O(n))
Consum mai mare de memorie decât ArrayList
Implementează și Deque, permițând utilizarea ca stivă sau coadă

Seturi (Sets)

Seturile sunt colecții care nu permit elemente duplicate. Acestea modelează conceptul matematic de mulțime.

HashSet

HashSet este implementarea cea mai comună a interfeței Set, folosind tabele hash pentru stocarea elementelor:

Set<String> set = new HashSet<>();
set.add("unu");
set.add("doi");
set.add("unu");  // Nu va fi adăugat, fiind duplicat

boolean contine = set.contains("doi");  // true
set.remove("unu");

Caracteristici:

Operații foarte rapide (add, remove, contains) - în general O(1)
Nu garantează ordinea elementelor
Permite un singur element null
Bazat pe HashMap

LinkedHashSet

LinkedHashSet extinde HashSet menținând ordinea de inserare a elementelor:

Set<String> set = new LinkedHashSet<>();
set.add("unu");
set.add("doi");
set.add("trei");

// Iterarea va păstra ordinea: "unu", "doi", "trei"
for (String element : set) {
    System.out.println(element);
}

Caracteristici:

Păstrează ordinea de inserare
Operații puțin mai lente decât HashSet, dar tot foarte eficiente
Util când ordinea de inserare este importantă

TreeSet

TreeSet implementează interfața SortedSet și stochează elementele într-un arbore roșu-negru:

SortedSet<String> set = new TreeSet<>();
set.add("c");
set.add("a");
set.add("b");

// Iterarea va afișa elementele sortate: "a", "b", "c"
for (String element : set) {
    System.out.println(element);
}

String primul = set.first();  // "a"
String ultimul = set.last();  // "c"

Caracteristici:

Menține elementele sortate (natural ordering sau comparator specific)
Operații mai lente decât HashSet - O(log n)
Oferă operații specifice precum first(), last(), headSet(), tailSet()
Nu permite elemente null

Cozi (Queues)

Cozile sunt colecții proiectate pentru a ține elemente înainte de procesare, de obicei în ordinea FIFO (first-in-first-out).

PriorityQueue

PriorityQueue este o coadă în care elementele sunt ordonate după prioritate:

Queue<Integer> coada = new PriorityQueue<>();
coada.offer(3);
coada.offer(1);
coada.offer(2);

// Va extrage elementele în ordinea: 1, 2, 3
while (!coada.isEmpty()) {
    System.out.println(coada.poll());
}

Caracteristici:

Ordinea elementelor este determinată de comparator sau ordinea naturală
Operația peek() returnează elementul cu cea mai mare prioritate fără a-l elimina
Operația poll() returnează și elimină elementul cu cea mai mare prioritate
Implementată ca un heap binar

ArrayDeque

ArrayDeque implementează interfața Deque (double-ended queue) folosind un array redimensionabil:

Deque<String> deque = new ArrayDeque<>();
deque.addFirst("primul");
deque.addLast("ultimul");

String primul = deque.removeFirst();
String ultimul = deque.removeLast();

// Poate fi folosită și ca stivă
deque.push("nou");
String element = deque.pop();

Caracteristici:

Mai rapidă decât Stack când este folosită ca stivă
Mai rapidă decât LinkedList când este folosită ca coadă
Nu permite elemente null
Nu are limitări de capacitate

Maps

Map nu extinde interfața Collection, dar este parte din framework-ul Collections. Un Map asociază chei cu valori și nu permite chei duplicate.

HashMap

HashMap implementează interfața Map folosind o tabelă hash:

Map<String, Integer> map = new HashMap<>();
map.put("unu", 1);
map.put("doi", 2);
map.put("trei", 3);

Integer valoare = map.get("doi");  // 2
map.remove("unu");
boolean contine = map.containsKey("trei");  // true

Caracteristici:

Operații foarte rapide (put, get, remove) - în general O(1)
Nu garantează ordinea elementelor
Permite o singură cheie null și multiple valori null
Nu este sincronizat (thread-safe)

LinkedHashMap

LinkedHashMap extinde HashMap menținând ordinea de inserare sau ordinea de acces:

Map<String, String> map = new LinkedHashMap<>();
map.put("c", "valoare c");
map.put("a", "valoare a");
map.put("b", "valoare b");

// Iterarea va păstra ordinea de inserare
for (Map.Entry<String, String> entry : map.entrySet()) {
    System.out.println(entry.getKey() + ": " + entry.getValue());
}

Caracteristici:

Păstrează ordinea de inserare sau ordinea de acces (LRU - least recently used)
Operații puțin mai lente decât HashMap
Utilă pentru implementarea cache-urilor LRU

TreeMap

TreeMap implementează interfața SortedMap și stochează cheile într-un arbore roșu-negru:

SortedMap<String, Integer> map = new TreeMap<>();
map.put("c", 3);
map.put("a", 1);
map.put("b", 2);

// Cheile vor fi sortate: "a", "b", "c"
for (String key : map.keySet()) {
    System.out.println(key + ": " + map.get(key));
}

Caracteristici:

Menține cheile sortate (natural ordering sau comparator specific)
Operații mai lente decât HashMap - O(log n)
Oferă operații specifice precum firstKey(), lastKey(), headMap(), tailMap()
Nu permite chei null

Algoritmi și Utilitare pentru Colecții

Clasa Collections oferă metode statice pentru operații comune pe colecții:

Sortare

List<String> lista = new ArrayList<>();
lista.add("banana");
lista.add("măr");
lista.add("portocală");

// Sortare folosind ordinea naturală
Collections.sort(lista);

// Sortare folosind un comparator
Collections.sort(lista, (s1, s2) -> s1.length() - s2.length());

Amestecare și Rotire

// Amestecă elementele în ordine aleatoare
Collections.shuffle(lista);

// Rotește elementele cu 2 poziții
Collections.rotate(lista, 2);

Căutare

// Căutare binară (lista trebuie să fie sortată)
int index = Collections.binarySearch(lista, "măr");

// Frecvența unui element
int frecventa = Collections.frequency(lista, "măr");

Colecții Sincronizate și Nemodificabile

// Colecție sincronizată (thread-safe)
List<String> syncList = Collections.synchronizedList(new ArrayList<>());

// Colecție nemodificabilă
List<String> immutableList = Collections.unmodifiableList(lista);

Min/Max

String min = Collections.min(lista);
String max = Collections.max(lista);

Operații Comune

Iterarea Colecțiilor

Sunt multiple modalități de a itera prin colecții:

1. Folosind for-each

List<String> lista = Arrays.asList("unu", "doi", "trei");
for (String element : lista) {
    System.out.println(element);
}

2. Folosind Iterator

Iterator<String> iterator = lista.iterator();
while (iterator.hasNext()) {
    String element = iterator.next();
    System.out.println(element);
    // iterator.remove(); // Permite eliminarea în timpul iterării
}

3. Folosind expresii lambda (Java 8+)

lista.forEach(element -> System.out.println(element));
// Sau mai simplu
lista.forEach(System.out::println);

Filtrarea Colecțiilor

Folosind removeIf() (Java 8+)

List<Integer> numere = new ArrayList<>(Arrays.asList(1, 2, 3, 4, 5));
numere.removeIf(n -> n % 2 == 0); // Elimină numerele pare

Folosind Streams (Java 8+)

List<Integer> numere = Arrays.asList(1, 2, 3, 4, 5);
List<Integer> numerePare = numere.stream()
                                .filter(n -> n % 2 == 0)
                                .collect(Collectors.toList());

Conversie între Tipuri de Colecții

// Din List în Set (elimină duplicatele)
List<String> lista = Arrays.asList("unu", "doi", "unu", "trei");
Set<String> set = new HashSet<>(lista);

// Din Set în List
List<String> nouaLista = new ArrayList<>(set);

// Din List în Array
String[] array = lista.toArray(new String[0]);

// Din Array în List
List<String> listaDeArray = Arrays.asList(array);

Colecții Thread-Safe

Majoritatea claselor din framework-ul Collections nu sunt sincronizate (thread-safe). Pentru medii multi-thread, Java oferă alternative:

Collections sincronizate

List<String> syncList = Collections.synchronizedList(new ArrayList<>());
Set<String> syncSet = Collections.synchronizedSet(new HashSet<>());
Map<String, String> syncMap = Collections.synchronizedMap(new HashMap<>());

Concurrent Collections

Pachetul java.util.concurrent oferă implementări optimizate pentru medii concurente:

// ConcurrentHashMap - performanță mai bună decât HashMap sincronizat
Map<String, String> concurrentMap = new ConcurrentHashMap<>();

// CopyOnWriteArrayList - optimizat pentru scenarii cu multe citiri și puține scrieri
List<String> cowList = new CopyOnWriteArrayList<>();

// BlockingQueue - pentru producător-consumator
BlockingQueue<String> queue = new LinkedBlockingQueue<>();

Colecții în Java 8+

Java 8 a introdus Streams API care oferă operații funcționale pe colecții:

List<String> lista = Arrays.asList("aa", "bbb", "c", "dddd");

// Filtrare, transformare și colectare
List<String> rezultat = lista.stream()
                           .filter(s -> s.length() > 1)
                           .map(String::toUpperCase)
                           .collect(Collectors.toList());

// Agregare
int totalLungime = lista.stream()
                       .mapToInt(String::length)
                       .sum();

// Grupare
Map<Integer, List<String>> grupeDupăLungime = lista.stream()
                                                 .collect(Collectors.groupingBy(String::length));

Bune Practici

Folosiți interfețe pentru declarații:

// Recomandabil
List<String> lista = new ArrayList<>();
   
// Evitați
ArrayList<String> lista = new ArrayList<>();

Specificați capacitatea inițială când se cunoaște dimensiunea aproximativă:
```
List<String> lista = new ArrayList<>(10000);
```
Folosiți colecția potrivită pentru scenariu:
- ArrayList pentru acces aleatoriu frecvent
- LinkedList pentru inserări/ștergeri frecvente
- HashSet pentru verificarea existenței rapide
- TreeSet pentru date sortate
- HashMap pentru lookup rapid
- LinkedHashMap pentru păstrarea ordinii
- ConcurrentHashMap pentru medii multi-thread

Evitați modificarea colecțiilor în timpul iterării:

// Incorect - poate cauza ConcurrentModificationException
for (String element : lista) {
    if (element.startsWith("a")) {
        lista.remove(element);
    }
}
   
// Corect - folosește Iterator.remove()
Iterator<String> it = lista.iterator();
while (it.hasNext()) {
    if (it.next().startsWith("a")) {
        it.remove();
    }
}
   
// Alternativ - Java 8+
lista.removeIf(element -> element.startsWith("a"));

Considerați colecții imutabile pentru date constante:

List<String> constante = Collections.unmodifiableList(Arrays.asList("A", "B", "C"));

Folosiți operații bulk când este posibil:

// Mai eficient decât adăugarea pe rând
lista.addAll(Arrays.asList("a", "b", "c"));

Exemplu Complet

Iată un exemplu complet care utilizează diverse tipuri de colecții:

import java.util.*;
import java.util.stream.Collectors;

public class ExempluColectii {
    public static void main(String[] args) {
        // Exemplu List
        List<String> fructe = new ArrayList<>();
        fructe.add("Măr");
        fructe.add("Banană");
        fructe.add("Portocală");
        fructe.add("Măr");  // Duplicat permis

        System.out.println("Lista de fructe: " + fructe);
        System.out.println("Al doilea fruct: " + fructe.get(1));
        
        // Sortare
        Collections.sort(fructe);
        System.out.println("Fructe sortate: " + fructe);
        
        // Exemplu Set
        Set<String> setFructe = new HashSet<>(fructe);
        System.out.println("Set fructe (fără duplicate): " + setFructe);
        
        // TreeSet - sortat
        Set<String> fructeSortate = new TreeSet<>(fructe);
        System.out.println("TreeSet (sortat): " + fructeSortate);
        
        // Exemplu Map
        Map<String, Integer> pretFructe = new HashMap<>();
        pretFructe.put("Măr", 2);
        pretFructe.put("Banană", 3);
        pretFructe.put("Portocală", 4);
        
        System.out.println("Preț banană: " + pretFructe.get("Banană"));
        
        // Iterare prin Map
        for (Map.Entry<String, Integer> entry : pretFructe.entrySet()) {
            System.out.println(entry.getKey() + ": " + entry.getValue() + " lei");
        }
        
        // Folosirea Queue
        Queue<String> coada = new LinkedList<>();
        coada.offer("Primul");
        coada.offer("Al doilea");
        coada.offer("Al treilea");
        
        System.out.println("Elementul din față: " + coada.peek());
        System.out.println("Extragere element: " + coada.poll());
        System.out.println("Nou element din față: " + coada.peek());
        
        // Stream API (Java 8+)
        List<String> fructeLungi = fructe.stream()
                                        .filter(f -> f.length() > 5)
                                        .collect(Collectors.toList());
        
        System.out.println("Fructe cu nume lungi: " + fructeLungi);
        
        // Map cu funcții lambda
        Map<String, Integer> lungimiFructe = fructe.stream()
                                                  .distinct()
                                                  .collect(Collectors.toMap(
                                                      f -> f,
                                                      String::length
                                                  ));
        
        System.out.println("Lungimile numelor de fructe: " + lungimiFructe);
    }
}

Exerciții Practice

Gestiunea unei liste de studenți:
- Creați o clasă Student cu atributele: id, nume, vârstă, medie
- Implementați o metodă care folosește ArrayList pentru a stoca studenți
- Sortați studenții după medie folosind un comparator personalizat
- Filtrați studenții care au media peste 8
Procesarea cuvintelor dintr-un text:
- Citiți un text dintr-un fișier
- Folosiți un Set pentru a găsi toate cuvintele unice
- Folosiți un Map pentru a număra frecvența fiecărui cuvânt
- Afișați cele mai frecvente 5 cuvinte
Simularea unui sistem de gestionare a comenzilor:
- Creați clase pentru Produs, Comanda și Client
- Folosiți HashMap pentru a stoca produse (key: cod produs, value: obiect Produs)
- Folosiți Queue pentru a gestiona comenzile în ordinea sosirii
- Implementați metode pentru adăugarea, procesarea și raportarea comenzilor