Collections Framework

"A amizade é um contrato segundo o qual nos comprometemos a prestar pequenos favores para que no-los retribuam com grandes." -- Baron de la Brede et de Montesquieu

Ao final deste capítulo, você será capaz de:

• Utilizar arrays, lists, sets ou maps dependendo da necessidade do programa;
• Iterar e ordenar listas e coleções;
• Usar mapas para inserção e busca de objetos.

Arrays são trabalhosas, utilizar estrutura de dados

Como vimos no capítulo de arrays, manipulá-las é bastante trabalhoso. Essa dificuldade aparece em diversos momentos:

• Não podemos redimensionar uma array em Java;
• É impossível buscar diretamente por um determinado elemento cujo índice não se sabe;
• Não conseguimos saber quantas posições da array já foram populadas sem criar, para isso, métodos auxiliares.

Na figura acima, você pode ver uma array que antes estava sendo completamente utilizada e depois teve um de seus elementos removidos.

Supondo que os dados armazenados representem contas, o que acontece quando precisarmos inserir uma nova conta no banco? Precisaremos procurar por um espaço vazio? Guardaremos em alguma estrutura de dados externa as posições vazias? E se não houver espaço vazio? Teríamos de criar uma array maior e copiar os dados da antiga para ela?

Há mais questões: como posso saber quantas posições estão sendo usadas na array? Terei sempre de percorrer a array inteira para conseguir essa informação?

Além dessas dificuldades que as arrays apresentavam, faltava um conjunto robusto de classes para suprir a necessidade de estruturas de dados básicas, como listas ligadas e tabelas de espalhamento.

Com esses e outros objetivos em mente, o comitê responsável pelo Java criou um conjunto de classes e interfaces conhecido como Collections Framework, que reside no pacote java.util desde o Java2 1.2.

Collections

A API de Collections é robusta e tem diversas classes que representam estruturas de dados avançadas.

Por exemplo, não é necessário reinventar a roda e criar uma lista ligada, mas sim utilizar aquela que o Java disponibiliza.

Listas: java.util.List

O primeiro dos recursos da API de Collections que listaremos é lista. Uma lista é uma coleção a qual permite elementos duplicados e mantém uma ordenação específica entre os elementos.

Em outras palavras, você tem a garantia de que, quando percorrer a lista, os elementos serão encontrados em uma ordem pré-determinada, definida na hora das suas inserções. Ela resolve todos os problemas os quais levantamos em relação à array (busca, remoção, tamanho infinito, etc.). Esse código já está pronto!

A API de Collections fornece a interface java.util.List, a qual especifica o que uma classe deve ser capaz de fazer para ser uma lista. Há diversas implementações disponíveis, cada uma com uma forma diferente de representar uma lista.

A implementação mais utilizada da interface List é a ArrayList, que trabalha com uma array interna para gerar uma lista. Portanto, ela é mais rápida na pesquisa do que sua concorrente, a LinkedList, a qual é mais rápida na inserção e remoção de itens nas pontas.

ArrayList não é uma array!

É comum confundirem uma ArrayList com uma array, porém ela não o é. O que ocorre é que, internamente, ela usa uma array como estrutura para armazenar os dados, porém esse atributo está propriamente encapsulado, e você não tem como acessá-lo. Repare também: você não pode usar [] com uma ArrayList nem acessar o atributo length. Não há relação!

Para criar um ArrayList, basta chamar o construtor:

    ArrayList lista = new ArrayList();

É sempre possível abstrair a lista a partir da interface List:

    List lista = new ArrayList();

Para criar uma lista de nomes (String), podemos fazer:

    List lista = new ArrayList();
    lista.add("Manoel");
    lista.add("Joaquim");
    lista.add("Maria");

A interface List tem dois métodos add, um que recebe o objeto a ser inserido e o coloca no final da lista, e um segundo que permite adicionar o elemento em qualquer posição da lista. Note que, em momento algum, dizemos qual é o tamanho da lista; podemos acrescentar quantos elementos quisermos, pois a lista cresce conforme for necessário.

Toda lista (na verdade, toda Collection) trabalha do modo mais genérico possível. Isto é, não há uma ArrayList específica para Strings, outra para números, outra para datas, etc. Todos os métodos trabalham com Object.

Assim, é possível criar, por exemplo, uma lista de contas-correntes:

    ContaCorrente c1 = new ContaCorrente();
    c1.deposita(100);

    ContaCorrente c2 = new ContaCorrente();
    c2.deposita(200);

    ContaCorrente c3 = new ContaCorrente();
    c3.deposita(300);

    List contas = new ArrayList();
    contas.add(c1);
    contas.add(c3);
    contas.add(c2);

Para saber quantos elementos há na lista, usamos o método size():

    System.out.println(contas.size());

Há ainda um método get(int), o qual recebe como argumento o índice do elemento que se quer recuperar. Por meio dele, podemos fazer um for para iterar na lista de contas:

    for (int i = 0; i < contas.size(); i++) {
        contas.get(i); // código não muito útil....
    }

Mas como fazer para imprimir o saldo dessas contas? Podemos acessar o getSaldo() diretamente após fazer contas.get(i)? Não podemos. Lembre-se de que toda lista trabalha sempre com Object. Assim, a referência devolvida pelo get(i) é do tipo Object, sendo necessário o cast para ContaCorrente se quisermos acessar o getSaldo():

    for (int i = 0; i < contas.size(); i++) {
        ContaCorrente cc = (ContaCorrente) contas.get(i);
        System.out.println(cc.getSaldo());
    }
    // Note que a ordem dos elementos não é alterada.

Há ainda outros métodos, como por exemplo o remove(), o qual recebe um objeto que se deseja remover da lista; e contains(), que recebe um objeto como argumento e devolve true ou false, indicando se o elemento está ou não na lista.

A interface List e algumas classes que a implementam podem ser vistas no diagrama a seguir:

Acesso aleatório e percorrendo listas com get

Algumas listas, como a ArrayList, têm acesso aleatório aos seus elementos: a busca por um elemento em uma determinada posição é feita de maneira imediata, sem que a lista inteira seja percorrida (que chamamos de acesso sequencial).

Nesse caso, o acesso por meio do método get(int) é muito rápido. Caso contrário, percorrer uma lista usando um for como esse que acabamos de ver pode ser desastroso. Ao percorrermos uma lista, devemos usar sempre um Iterator ou enhanced for, como veremos.

Uma lista é uma excelente alternativa a uma array comum, já que temos todos os benefícios de arrays sem a necessidade de tomar cuidado com remoções, falta de espaço, etc.

A outra implementação muito usada, a LinkedList, fornece métodos adicionais para obter e remover o primeiro e último elemento da lista. Ela também tem o funcionamento interno diferente, o que pode impactar performance, como veremos durante os exercícios no final do capítulo.

Vector

Outra implementação é a tradicional classe Vector, presente desde o Java 1.0, que foi adaptada para uso com o framework de Collections por meio da inclusão de novos métodos.

Ela deve ser escolhida cautelosamente, pois lida de uma maneira diferente com processos correndo em paralelo e terá um custo adicional em relação à ArrayList quando não houver acesso simultâneo aos dados.

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Listas no Java 5 e Java 7 com Generics

Em qualquer lista, é possível colocar qualquer Object. Com isso, é possível misturar objetos:

    ContaCorrente cc = new ContaCorrente();

    List lista = new ArrayList();
    lista.add("Uma string");
    lista.add(cc);
    ...

Mas e depois, na hora de recuperar esses objetos? Como o método get devolve um Object, precisamos fazer o cast. Mas, tendo uma lista com vários objetos de tipos diferentes, isso pode não ser tão simples.

Geralmente, não nos interessa uma lista com vários tipos de objetos misturados; no dia a dia, usamos listas como aquela de contas-correntes. No Java 5.0, podemos usar o recurso de Generics para restringir as listas a um determinado tipo de objetos (e não qualquer Object):

    List<ContaCorrente> contas = new ArrayList<ContaCorrente>();
    contas.add(c1);
    contas.add(c3);
    contas.add(c2);

Repare no uso de um parâmetro ao lado de List e ArrayList: ele indica que nossa lista foi criada para trabalhar exclusivamente com objetos do tipo ContaCorrente. Isso nos traz uma segurança em tempo de compilação:

    contas.add("uma string"); // Isso não compila mais!!

O uso de Generics também elimina a necessidade de casting, uma vez que todos os objetos inseridos na lista serão, seguramente, do tipo ContaCorrente:

    for(int i = 0; i < contas.size(); i++) {
        ContaCorrente cc = contas.get(i); // sem casting!
        System.out.println(cc.getSaldo());
    }

A partir do Java 7, se você instancia um tipo genérico na mesma linha de sua declaração, não é necessário passar os tipos novamente, basta usar new ArrayList<>(). É conhecido como operador diamante:

    List<ContaCorrente> contas = new ArrayList<>();

A importância das interfaces nas coleções

Vale ressaltar a importância do uso da interface List: quando desenvolvemos, procuramos sempre nos referir a ela, e não às implementações específicas. Por exemplo, se temos um método que buscará uma série de contas no banco de dados, poderíamos fazer assim:

class Agencia {
    public ArrayList<Conta> buscaTodasContas() {
        ArrayList<Conta> contas = new ArrayList<>();

        // Para cada conta do banco de dados, contas.add

        return contas;
    }
}

Porém, para que precisamos retornar a referência específica a uma ArrayList? Para que ser tão específico? Dessa maneira, o dia em que optarmos por devolver uma LinkedList em vez de ArrayList, as pessoas que estão usando o método buscaTodasContas poderão ter problemas, pois estavam fazendo referência a uma ArrayList. O ideal é sempre trabalhar com a interface mais genérica possível:

class Agencia {

    // modificação apenas no retorno:
    public List<Conta> buscaTodasContas() {
        ArrayList<Conta> contas = new ArrayList<>();

        // Para cada conta do banco de dados, contas.add

        return contas;
    }
}

É o mesmo caso de preferir referenciar aos objetos com InputStream como fizemos no capítulo passado.

Assim como no retorno, é boa prática trabalhar com a interface em todos os lugares possíveis: métodos que precisam receber uma lista de objetos têm List como parâmetro em vez de uma implementação em específico, como ArrayList, deixando o método mais flexível:

class Agencia {

    public void atualizaContas(List<Conta> contas) {
        // ...
    }
}

Também declaramos atributos como List em vez de nos comprometer como uma ou outra implementação. Dessa forma, obtemos um baixo acoplamento: podemos trocar a implementação, já que estamos programando para a interface! Por exemplo:

class Empresa {

    private List<Funcionario> empregados = new ArrayList<>();

    // ...
}

Ordenação: Collections.sort

Vimos anteriormente que as listas são percorridas de maneira pré-determinada de acordo com a inclusão dos itens. Mas, muitas vezes, queremos percorrer a nossa lista de maneira ordenada.

A classe Collections fornece um método estático sort, que recebe um List como argumento e o ordena por ordem crescente. Por exemplo:

   List<String> lista = new ArrayList<>();
   lista.add("Sérgio");
   lista.add("Paulo");
   lista.add("Guilherme");

   // Repare que o toString de ArrayList foi sobrescrito:
   System.out.println(lista); 

   Collections.sort(lista);

   System.out.println(lista);

Ao testar o exemplo acima, você observará que, primeiro, a lista é impressa na ordem de inserção e, depois de invocar o sort, ela é impressa em ordem alfabética.

Mas toda lista em Java pode ser de qualquer tipo de objeto, por exemplo, ContaCorrente. E se quisermos ordenar uma lista de ContaCorrente? Em que ordem a classe Collections ordenará? Pelo saldo? Pelo nome do correntista?

    ContaCorrente c1 = new ContaCorrente();
    c1.deposita(500);

    ContaCorrente c2 = new ContaCorrente();
    c2.deposita(200);

    ContaCorrente c3 = new ContaCorrente();
    c3.deposita(150);

    List<ContaCorrente> contas = new ArrayList<>();
    contas.add(c1);
    contas.add(c3);
    contas.add(c2);

    Collections.sort(contas); // qual seria o critério para esta ordenação?

Sempre que falamos em ordenação, precisamos pensar em um critério de ordenação, uma forma de determinar qual elemento vem antes de qual. É necessário instruir o sort sobre como comparar nossas ContaCorrente a fim de determinar uma ordem na lista. Para isso, o método sort necessita que todos seus objetos da lista sejam comparáveis e tenham um método que se compara com outra ContaCorrente. Como é que o método sort terá a garantia de que a sua classe tem esse método? Isso será feito, novamente, por meio de um contrato, ou seja, de uma interface!

Façamos com que os elementos da nossa coleção implementem a interface java.lang.Comparable, que define o método int compareTo(Object). Esse método deve retornar: zero, se o objeto comparado for igual àquele objeto; um número negativo, se aquele objeto for menor que o objeto dado; e um número positivo, se aquele objeto for maior que o objeto dado.

Para ordenar as ContaCorrentes por saldo, basta implementar o Comparable:

    public class ContaCorrente extends Conta 
                            implements Comparable<ContaCorrente> {

        // ... todo o código anterior fica aqui

        public int compareTo(ContaCorrente outra) {
          if (this.saldo < outra.saldo) {
            return -1;
          }

          if (this.saldo > outra.saldo) {
            return 1;
          }

          return 0;
        }
    }

Com o código anterior, nossa classe tornou-se "comparável": dados dois objetos da classe, conseguimos dizer se um objeto é maior, menor ou igual ao outro, segundo algum critério por nós definido. No nosso caso, a comparação será feita com base no saldo da conta.

Repare que o critério de ordenação é totalmente aberto, definido pelo programador. Se quisermos ordenar por outro atributo (ou até por uma combinação de atributos), basta modificar a implementação do método compareTo na classe.

Quando chamarmos o método sort de Collections, ele saberá como fazer a ordenação da lista pois usará o critério que definimos no método compareTo.

Outra implementação...

O que acha da implementação abaixo?

      public int compareTo(Conta outra) {
          return Integer.compare(this.getNumero(), outra.getNumero());
      }

Mas e o exemplo anterior com uma lista de Strings? Por que a ordenação funcionou, naquele caso, sem precisarmos fazer nada? Simples: quem escreveu a classe String (lembre-se de que ela é uma classe como qualquer outra) implementou a interface Comparable e o método compareTo para Strings, fazendo comparação em ordem alfabética (consulte a documentação da classe String e veja o método compareTo lá). O mesmo acontece com outras classes, como Integer, BigDecimal, Date, entre outras.

Outros métodos da classe Collections

A classe Collections apresenta uma grande quantidade de métodos estáticos úteis na manipulação de coleções.

• binarySearch(List, Object): realiza uma busca binária por determinado elemento na lista ordenada e retorna sua posição ou um número negativo, caso não encontrado.

• max(Collection): retorna o maior elemento da coleção.

• min(Collection): retorna o menor elemento da coleção.

• reverse(List): inverte a lista.

• E muitos outros. Consulte a documentação para ver outros métodos.

No Java 8, muitas dessas funcionalidades da Collections podem ser feitas por intermédio dos chamados Streams, que fica um pouco fora do escopo de um curso inicial de Java.

Existe uma classe análoga, a java.util.Arrays, que faz operações similares com arrays.

É importante conhecê-las para evitar escrever código já existente.

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Exercícios: ordenação

Ordenaremos o campo de destino da tela de detalhes da conta para que as contas apareçam em ordem alfabética de titular.

1. Faça sua classe Conta implementar a interface Comparable<Conta>. Utilize o critério de ordenar pelo titular da conta.

   public class Conta implements Comparable<Conta> {
     ...
   }

   Deixe o seu método compareTo parecido com este:

   public class Conta implements Comparable<Conta> {
   
     // ... todo o código anterior fica aqui
   
     public int compareTo(Conta outraConta) {
               return this.titular.compareTo(outraConta.titular);
     }
   }

2. Queremos que as contas apareçam no campo de destino ordenadas pelo titular. Então, criemos o método ordenaLista na classe ManipuladorDeContas. Use o Collections.sort() para ordenar a lista recuperada do Evento:

   public class ManipuladorDeContas {
   
     // outros métodos
   
     public void ordenaLista(Evento evento) {
         List<Conta> contas = evento.getLista("destino");
         Collections.sort(contas);
     }
   }

   Rode a aplicação, adicione algumas contas e verifique se as contas aparecem ordenadas pelo nome do titular no campo destino, na parte da transferência. Para ver a ordenação, é necessário acessar os detalhes de uma conta.

   Atenção especial: repare que escrevemos um método compareTo em nossa classe, e nosso código nunca o invoca!! Isso é muito comum. Reescrevemos (ou implementamos) um método, e quem o invocará será um outro conjunto de classes (nesse caso, quem está chamando o compareTo é o Collections.sort, que o usa como base para o algoritmo de ordenação). Isso cria um sistema extremamente coeso e, ao mesmo tempo, com baixo acoplamento: a classe Collections nunca imaginou que ordenaria objetos do tipo Conta, mas já que eles são Comparable, o seu método sort está satisfeito.

3. O que teria acontecido se a classe Conta não implementasse Comparable<Conta>, mas tivesse o método compareTo?

   Faça um teste: remova temporariamente a sentença implements Comparable<Conta>. Não remova o método compareTo e veja o que acontece. Basta ter o método sem assinar a interface?

4. Como inverter a ordem de uma lista? Como embaralhar todos os elementos de uma lista? E rotacionar os elementos de uma lista?

   Investigue a documentação da classe Collections dentro do pacote java.util.

5. (Opcional) Em uma nova classe TestaLista, crie uma ArrayList e insira novas contas com saldos aleatórios usando um laço (for). Adivinhe o nome da classe para colocar saldos aleatórios? Random, do pacote java.util. Consulte sua documentação para usá-la (utilize o método nextInt() passando o número máximo a ser sorteado).

6. Modifique a classe TestaLista para utilizar uma LinkedList em vez de ArrayList:

       List<Conta> contas = new LinkedList<Conta>();

   Precisamos alterar mais algum código para que essa substituição funcione? Rode o programa. Alguma diferença?

7. (Opcional) Imprima a referência a essa lista. O toString de uma ArrayList/LinkedList é reescrito?

       System.out.println(contas);

Conjunto: java.util.Set

Um conjunto (Set) funciona de forma análoga aos conjuntos da matemática. Ele é uma coleção que não permite elementos duplicados.

Outra característica sua fundamental é o fato de que a ordem na qual os elementos são armazenados pode não ser aquela em que eles foram inseridos no conjunto. A interface não define como deve ser esse comportamento. Tal ordem varia de implementação para implementação.

Um conjunto é representado pela interface Set e tem como suas principais implementações as classes HashSet, LinkedHashSet e TreeSet.

O código a seguir cria um conjunto e adiciona diversos elementos, alguns repetidos:

    Set<String> cargos = new HashSet<>();

    cargos.add("Gerente");
    cargos.add("Diretor");
    cargos.add("Presidente");
    cargos.add("Secretária");
    cargos.add("Funcionário");
    cargos.add("Diretor"); // repetido!

    // imprime na tela todos os elementos
    System.out.println(cargos);

Aqui o segundo Diretor não será adicionado, e o método add lhe retornará false.

O uso de um Set pode parecer desvantajoso, já que ele não armazena a ordem e não aceita elementos repetidos. Não há métodos que trabalham com índices, como o get(int), que as listas têm. A grande vantagem do Set é a existência de implementações, como a HashSet, que têm uma performance incomparável com as Lists quando usadas para pesquisa (método contains, por exemplo). Veremos essa enorme diferença durante os exercícios.

Ordem de um Set

Seria possível usar uma outra implementação de conjuntos, como um TreeSet, a qual insere os elementos de tal forma que, quando forem percorridos, eles apareçam em uma ordem definida pelo método de comparação entre seus elementos. Esse método é definido pela interface java.lang.Comparable. Ou, ainda, pode se passar um Comparator para seu construtor.

Já o LinkedHashSet mantém a ordem de inserção dos elementos.

Antes do Java 5, não podíamos utilizar generics e, por isso, usávamos o Set de forma que ele trabalhava com Object, havendo necessidade de castings.

Principais interfaces: java.util.Collection

As coleções têm como base a interface Collection, que define métodos para adicionar e remover um elemento, além de verificar se ele está na coleção, entre outras operações, como mostra a tabela a seguir:

Uma coleção pode implementar diretamente a interface Collection. Porém, normalmente se usa uma das duas subinterfaces mais famosas: justamente Set e List.

A interface Set, como previamente vista, define um conjunto de elementos únicos, enquanto a interface List permite elementos duplicados, além de manter a ordem na qual eles foram adicionados.

A busca em um Set pode ser mais rápida do que em um objeto do tipo List, pois diversas implementações se utilizam de tabelas de espalhamento (hash tables), realizando a busca para tempo linear (O(1)).

A interface Map faz parte do framework, mas não estende Collection (veremos Map mais adiante).

No Java 5, temos outra interface filha de Collection: a Queue, que define métodos de entrada e de saída, e cujo critério será definido pela sua implementação (por exemplo LIFO, FIFO ou ainda um heap, em que cada elemento tem sua chave de prioridade).

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Percorrendo coleções no Java 5

Como percorrer os elementos de uma coleção? Se for uma lista, podemos sempre utilizar um laço for, invocando o método get para cada elemento. Mas e se a coleção não permitir indexação?

Por exemplo, um Set não tem um método para pegar o primeiro, o segundo ou o quinto elemento do conjunto, visto que um conjunto não tem o conceito de ordem.

Podemos usar o enhanced-for (o "foreach") do Java 5 para percorrer qualquer Collection sem nos preocupar com isso. Internamente, o compilador fará com que seja usado o Iterator da Collection dado para percorrer a coleção. Repare:

    Set<String> conjunto = new HashSet<>();

    conjunto.add("java");
    conjunto.add("vraptor");
    conjunto.add("scala");

    for (String palavra : conjunto) {
        System.out.println(palavra);
    }

Em que ordem os elementos serão acessados?

Em uma lista, os elementos aparecerão de acordo com o índice em que foram inseridos, isto é, em concordância com o que foi pré-determinado. Em um conjunto, a ordem depende da implementação da interface Set: você, muitas vezes, não saberá ao certo em que ordem os objetos serão percorridos.

Por que o Set é, então, tão importante e usado?

Para perceber se um item já existe em uma lista, é muito mais rápido usar algumas implementações de Set do que um List, e os TreeSets já vêm ordenados de acordo com as características que desejarmos! Sempre considere usar um Set se não houver a necessidade de guardar os elementos em determinada ordem e buscá-los por meio de um índice.

No Eclipse, você pode escrever foreach e dar Ctrl + espaço, que ele gerará o esqueleto desse enhanced for! Muito útil!

Para saber mais: iterando sobre coleções com java.util.Iterator

Antes do Java 5 introduzir o novo enhanced-for, iterações em coleções eram feitas com o Iterator. Toda coleção fornece acesso a um iterator, um objeto o qual implementa a interface Iterator, que conhece internamente a coleção e dá acesso a todos os seus elementos, como a figura abaixo mostra:

Ainda hoje (depois do Java 5), podemos usar o Iterator, mas o mais comum é usar o enhanced-for. E, na verdade, o enhanced-for é apenas um açúcar sintático que usa iterator por trás dos panos.

Primeiro, criamos um Iterator que entra na coleção. A cada chamada do método next, o Iterator retorna o próximo objeto do conjunto. Um iterator pode ser obtido com o método iterator() de Collection, por exemplo, em uma lista de String:

    Iterator<String> i = lista.iterator();

A interface Iterator tem dois métodos principais: hasNext() (com retorno booleano), indica se ainda existe um elemento a ser percorrido; next(), retorna o próximo objeto.

Voltando ao exemplo do conjunto de Strings, percorramos o conjunto:

    Set<String> conjunto = new HashSet<>();
    conjunto.add("item 1");
    conjunto.add("item 2");
    conjunto.add("item 3");

    // retorna o iterator
    Iterator<String> i = conjunto.iterator();
    while (i.hasNext()) {
        // recebe a palavra
        String palavra = i.next();
        System.out.println(palavra);
    }   

O while anterior só termina quando todos os elementos do conjunto forem percorridos, isto é, quando o método hasNext mencionar que não existem mais itens.

ListIterator

Uma lista fornece, além de acesso a um Iterator, um ListIterator, que oferece recursos adicionais, específicos para listas.

Usando o ListIterator, você pode, por exemplo, adicionar um elemento à lista ou voltar ao elemento que foi iterado anteriormente.

Usar Iterator em vez do enhanced-for?

O Iterator pode, sim, ainda ser útil. Além de iterar na coleção, como faz o enhanced-for, o Iterator consegue remover elementos da coleção durante a iteração de uma forma elegante por meio do método remove.

Mapas - java.util.Map

Muitas vezes, queremos buscar rapidamente um objeto a partir de alguma informação sobre ele. Um exemplo seria obter todos os dados do carro a partir de sua placa. Poderíamos utilizar uma lista para isso e percorrer todos os seus elementos, mas pode ser péssimo para a performance até para listas não muito grandes. Aqui entra o mapa.

Um mapa é composto por um conjunto de associações entre um objeto-chave e um objeto-valor. É equivalente ao conceito de dicionário, usado em várias linguagens. Algumas linguagens, como Perl ou PHP, têm um suporte mais direto a mapas, também chamados de matrizes/arrays associativas.

java.util.Map é um mapa, pois é possível usá-lo para mapear uma chave a um valor, por exemplo: mapeie o valor "caelum" à chave "empresa", ou então, o valor "Vergueiro" à chave "rua". Semelhante a associações de palavras que podemos fazer em um dicionário.

O método put(Object, Object) da interface Map recebe a chave e o valor de uma nova associação. Para saber o que está associado a um determinado objeto-chave, passa-se esse objeto no método get(Object). Sem dúvida, essas são as duas operações principais e mais frequentes realizadas sobre um mapa.

Observe o exemplo: criamos duas contas-correntes e as colocamos em um mapa, associando-as aos seus donos.

    ContaCorrente c1 = new ContaCorrente();
    c1.deposita(10000);

    ContaCorrente c2 = new ContaCorrente();
    c2.deposita(3000);

    // cria o mapa
    Map<String, ContaCorrente> mapaDeContas = new HashMap<>();

    // adiciona duas chaves e seus respectivos valores
    mapaDeContas.put("diretor", c1);
    mapaDeContas.put("gerente", c2);

    // qual a conta do diretor? (sem casting!)
    ContaCorrente contaDoDiretor = mapaDeContas.get("diretor");
    System.out.println(contaDoDiretor.getSaldo());

Um mapa é muito usado para indexar objetos de acordo com determinado critério com o intuito de buscá-los rapidamente. Um mapa costuma aparecer juntamente com outras coleções para poder realizar essas buscas!

Ele, assim como as coleções, trabalha diretamente com Objects (tanto na chave quanto no valor), o que tornaria necessário o casting no momento em que recuperar elementos. Usando os generics, como fizemos aqui, não precisamos mais do casting.

Suas principais implementações são o HashMap, o TreeMap e o Hashtable.

Apesar de o mapa fazer parte do framework, ele não estende a interface Collection por ter um comportamento bem diferente. Porém, as coleções internas de um mapa (a de chaves e a de valores, ver Figura 7) são acessíveis por métodos definidos na interface Map.

O método keySet() retorna um Set com as chaves daquele mapa, e o método values() retorna a Collection com todos os valores que foram associados a alguma das chaves.

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Para saber mais: Properties

Um mapa importante é a tradicional classe Properties, que mapeia Strings e é muito utilizada para a configuração de aplicações.

A Properties tem também métodos para ler e gravar o mapeamento com base em um arquivo-texto, facilitando muito a sua persistência.

    Properties config = new Properties();

    config.setProperty("database.login", "scott");
    config.setProperty("database.password", "tiger");
    config.setProperty("database.url","jdbc:mysql:/localhost/teste");

    // muitas linhas depois...

    String login = config.getProperty("database.login");
    String password = config.getProperty("database.password");
    String url = config.getProperty("database.url");
    DriverManager.getConnection(url, login, password);

Repare que não houve a necessidade do casting para String no momento de recuperar os objetos associados. Isso porque a classe Properties foi desenhada a fim de trabalhar com a associação entre Strings.

Para saber mais: Equals e HashCode

Muitas das coleções do Java guardam os objetos dentro de tabelas de hash. Essas tabelas são utilizadas para que a pesquisa de um objeto seja feita de maneira rápida.

Como funciona? Cada objeto é "classificado" pelo seu hashCode, e, com isso, conseguimos espalhar cada objeto, agrupando-os pelo hashCode. Quando buscamos determinado objeto, só procuraremos entre os elementos que estão no grupo daquele hashCode. Dentro desse grupo, testaremos o objeto procurado com o candidato usando equals().

A fim de que isso funcione direito, o método hashCode de cada objeto deve retornar o mesmo valor aos dois objetos se eles são considerados equals. Em outras palavras:

a.equals(b) implica a.hashCode() == b.hashCode()

Implementar hashCode de tal maneira que ele retorne valores diferentes a dois objetos considerados equals quebra o contrato de Object, e isso resultará em collections que usam espalhamento (como HashSet, HashMap e Hashtable), não achando objetos iguais dentro de uma mesma coleção.

Equals e hashCode no Eclipse

O Eclipse é capaz de gerar uma implementação correta de equals e hashcode com base nos atributos que você queira comparar. Basta ir no menu Source e depois em Generate hashcode() and equals().

Para saber mais: boas práticas

As coleções do Java oferecem grande flexibilidade ao usuário. A perda de performance em relação à utilização de arrays é irrelevante, mas deve-se tomar algumas precauções:

• Grande parte das coleções usam, internamente, uma array para armazenar os seus dados. Quando essa array não é mais suficiente, é criada uma maior, e o conteúdo da antiga é copiado. Esse processo pode acontecer muitas vezes caso tenha uma coleção que cresce muito. Você deve, então, criar uma coleção já com uma capacidade grande a fim de evitar o excesso de redimensionamento.

• Evite usar coleções que guardam os elementos pela sua ordem de comparação quando não há necessidade. Um TreeSet gasta computacionalmente O(log(n)) para inserir (ele utiliza uma árvore rubro-negra como implementação), enquanto o HashSet gasta apenas O(1).

• Não itere sobre uma List utilizando um for de 0 até list.size() e usando get(int) para receber os objetos. Enquanto isso parece atraente, algumas implementações da List não são de acesso aleatório como a LinkedList, o que faz esse código ter uma péssima performance computacional. (use Iterator)

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Exercícios: Collections

1. Crie um código que insira 30 mil números numa ArrayList e pesquise-os. Usemos um método de System para cronometrar o tempo gasto:

   public class TestaPerformance {
   
       public static void main(String[] args) {
           System.out.println("Iniciando...");
           Collection<Integer> teste = new ArrayList<>();
           long inicio = System.currentTimeMillis();
   
           int total = 30000;
   
           for (int i = 0; i < total; i++) {
               teste.add(i);
           }
   
           for (int i = 0; i < total; i++) {
               teste.contains(i);
           }
   
           long fim = System.currentTimeMillis();
           long tempo = fim - inicio;
           System.out.println("Tempo gasto: " + tempo);
       }
   }

   Troque a ArrayList por um HashSet e verifique o tempo que irá demorar:

       Collection<Integer> teste = new HashSet<>();

   O que é lento? A inserção de 30 mil elementos ou as 30 mil buscas? Descubra-o computando o tempo gasto em cada for separadamente.

   A diferença é mais que gritante. Se você passar de 30 mil para um número maior, como 50 ou 100 mil, verá que isso inviabiliza por completo o uso de uma List, uma vez que queremos utilizá-la essencialmente em pesquisas.

2. (Conceitual e importante) Repare que se você declarar a coleção e der new assim:

       Collection<Integer> teste = new ArrayList<>();

   em vez de:

       ArrayList<Integer> teste = new ArrayList<>();

   É garantido que terá de alterar só essa linha para substituir a implementação por HashSet. Estamos aqui usando o polimorfismo a fim de nos proteger se por acaso mudanças de implementação nos obriguem a alterar muito o código. Mais uma vez: programe voltado à interface, e não à implementação!

   Esse é um excelente exemplo de bom uso de interfaces, afinal de que importa como a coleção funciona? O que queremos é uma coleção qualquer, e isso é suficiente para os nossos propósitos! Nosso código está com baixo acoplamento em relação à estrutura de dados utilizada: podemos trocá-la facilmente.

   Esse é um código extremamente elegante e flexível. Com o tempo, você notará que as pessoas tentam programar sempre se referindo a essas interfaces menos específicas na medida do possível: métodos costumam receber e devolver Collections, Lists e Sets em vez de referenciar diretamente uma implementação. É o mesmo que ocorre com o uso de InputStream e OutputStream: eles são o suficiente, não há um porquê de forçar a utilização de algo mais específico.

   Obviamente, algumas vezes, não conseguimos trabalhar dessa forma e precisamos usar uma interface mais específica ou mesmo nos referir ao objeto pela sua implementação para poder chamar alguns métodos. Por exemplo, TreeSet tem mais métodos que os definidos em Set, assim como LinkedList em relação à List.

   Dê um exemplo de um caso em que não poderíamos nos referir a uma coleção de elementos como Collection, mas necessariamente por interfaces mais específicas como List ou Set.

3. Faça testes com o Map, como visto nesse capítulo:

   public class TestaMapa {
   
       public static void main(String[] args) {
           Conta c1 = new ContaCorrente();
           c1.deposita(10000);
   
           Conta c2 = new ContaCorrente();
           c2.deposita(3000);
   
           // cria o mapa
           Map mapaDeContas = new HashMap();
   
           // adiciona duas chaves e seus valores
           mapaDeContas.put("diretor", c1);
           mapaDeContas.put("gerente", c2);
   
           // qual a conta do diretor?
           Conta contaDoDiretor = (Conta) mapaDeContas.get("diretor");
           System.out.println(contaDoDiretor.getSaldo());
       }
   }

   Depois altere o código para usar o generics e não haver a necessidade do casting, além da garantia de que nosso mapa estará seguro em relação à tipagem usada.

   Pode utilizar o quickfix do Eclipse para ele consertar isso para você: na linha em que está chamando o put, use o ctrl + 1. Depois de mais um quickfix (descubra qual!), seu código deve ficar assim:

   // cria o mapa
   Map<String, Conta> mapaDeContas = new HashMap<>();

   Que opção do ctrl + 1 você escolheu para que ele adicionasse o generics?

4. (Opcional) Assim como no exercício 1, crie uma comparação entre ArrayList e LinkedList a fim de verificar qual é a mais rápida para se adicionar elementos na primeira posição (list.add(0, elemento)), por exemplo:

   public class TestaPerformanceDeAdicionarNaPrimeiraPosicao {
       public static void main(String[] args) {
           System.out.println("Iniciando...");
           long inicio = System.currentTimeMillis();
   
           // trocar depois por ArrayList              
           List<Integer> teste = new LinkedList<>();
   
           for (int i = 0; i < 30000; i++) {
               teste.add(0, i);
           }
   
           long fim = System.currentTimeMillis();
           double tempo = (fim - inicio) / 1000.0;
           System.out.println("Tempo gasto: " + tempo);
       }
   }

   Seguindo o mesmo raciocínio, você pode ver qual é a mais rápida para se percorrer usando o get(indice) (sabemos que o correto seria utilizar o enhanced for ou o Iterator). Para isso, insira 30 mil elementos e depois percorra-os usando cada implementação de List.

   Perceba: aqui o nosso intuito não é você aprender qual é o mais rápido, o importante é perceber que podemos tirar proveito do polimorfismo para nos comprometer apenas com a interface. Depois, quando necessário, podemos trocar e escolher uma implementação mais adequada às nossas necessidades.

   Qual das duas listas foi mais rápida para adicionar elementos à primeira posição?

5. (Opcional) Crie a classe Banco (caso não tenha sido criada anteriormente) no pacote br.com.caelum.contas.modelo, que tem uma List de Conta chamada contas. Repare: em uma lista de Conta, você pode colocar tanto ContaCorrente quanto ContaPoupanca por causa do polimorfismo.

   Crie três métodos: void adiciona(Conta c), Conta pega(int x) e int pegaQuantidadeDeContas(). Basta usar a sua lista e delegar essas chamadas aos métodos e às coleções que estudamos.

   Como ficou a classe Banco?

6. (Opcional) No Banco, crie um método Conta buscaPorTitular(String nome) que procura por uma Conta cujo titular seja equals ao nomeDoTitular dado.

   Você pode implementar esse método com um for na sua lista de Conta, porém não tem uma performance eficiente.

   Adicionando um atributo privado do tipo Map<String, Conta>, haverá um impacto significativo. Toda vez que o método adiciona(Conta c) for invocado, você deve invocar .put(c.getTitular(), c) no seu mapa. Dessa maneira, quando alguém invocar o método Conta buscaPorTitular(String nomeDoTitular), basta você fazer o get no seu mapa, passando nomeDoTitular como argumento!

   Note que isso é só um exercício! Fazendo desse jeito, você não poderá ter dois clientes com o mesmo nome nesse banco, o que sabemos que não é legal.

   Como ficaria sua classe Banco com esse Map?

7. (Opcional e avançado) Crie o método hashCode para a sua conta de forma que ele respeite o equals: duas contas são equals quando têm o mesmo número e agência. Felizmente para nós, o próprio Eclipse já vem com um criador de equals e hashCode, que os faz de forma consistente.

   Na classe Conta, use o ctrl + 3 e comece a escrever hashCode para achar a opção de gerá-los. Então, selecione os atributos numero e agencia e mande gerar o hashCode e o equals.

   Como ficou o código gerado?

8. (Opcional e avançado) Crie uma classe de teste e verifique se sua classe Conta funciona agora corretamente em um HashSet, isto é, se ela não guarda contas com número e agência repetidos. Depois, remova o método hashCode. Continua funcionando?

   Dominar o uso e o funcionamento do hashCode é fundamental para o bom programador.

Desafios

1. Gere todos os números entre 1 e 1000 e organize-os em ordem decrescente utilizando um TreeSet. Como ficou seu código?

2. Gere todos os números entre 1 e 1000 e organize-os em ordem decrescente utilizando um ArrayList. Como ficou seu código?

Para saber mais: Comparators, classes anônimas, Java 8 e o lambda

E se precisarmos ordenar uma lista com outro critério de comparação? Se precisarmos alterar a própria classe e mudar seu método compareTo, teremos apenas uma forma de comparação por vez. Precisamos de mais!

É possível definir outros critérios de ordenação usando a interface do java.util chamada Comparator. Existe um método sort em Collections que recebe, além da List, um Comparator definindo um critério de ordenação específico. É possível ter vários Comparators com critérios diferentes para usar quando for necessário.

Criaremos um Comparator que serve para ordenar Strings de acordo com seu tamanho.

class ComparadorPorTamanho implements Comparator<String> {
    public int compare(String s1, String s2) {
        if(s1.length() < s2.length())
            return -1;
        if(s2.length() < s1.length())
            return 1;
        return 0;
    }
}

Note: diferente de Comparable, o método aqui se chama compare e recebe dois argumentos, posto que quem o implementa não é o próprio objeto.

Podemos deixá-lo mais curto, tomando proveito do método estático auxiliar Integer.compare, que compara dois inteiros:

class ComparadorPorTamanho implements Comparator<String> {
    public int compare(String s1, String s2) {
        return Integer.compare(s1.length(), s2.length());
    }
}

Depois, dentro do nosso código, teríamos que chamar a Collections.sort, passando o comparador também:

   List<String> lista = new ArrayList<>();
   lista.add("Sérgio");
   lista.add("Paulo");
   lista.add("Guilherme");

   // invocando o sort passando o comparador
   ComparadorPorTamanho comparador = new ComparadorPorTamanho();
   Collections.sort(lista, comparador);

   System.out.println(lista);

Como a variável temporária comparador é utilizada apenas aí, é comum escrevermos diretamente Collections.sort(lista, new ComparadorPorTamanho()).

Escrevendo um Comparator com classe anônima

Repare que a classe ComparadorPorTamanho é bem pequena. É comum haver a necessidade de criar vários critérios de comparação, e, muitas vezes, eles são utilizados apenas em um único ponto do nosso programa.

Há uma forma de escrever essa classe e instanciá-la em uma única instrução. Você faz isso dando new em Comparator. Mas como? Se dissemos que uma interface não pode ser instanciada? Realmente new Comparator() não compila. Mas compilará se você abrir chaves e implementar tudo o que é necessário. Veja o código:

   List<String> lista = new ArrayList<>();
   lista.add("Sérgio");
   lista.add("Paulo");
   lista.add("Guilherme");

   Comparator<String> comparador = new Comparator<String>() {
      public int compare(String s1, String s2) {
         return Integer.compare(s1.length(), s2.length());
      }
   };
   Collections.sort(lista, comparador);

   System.out.println(lista);

A sintaxe é realmente esdrúxula! Em uma única linha, nós definimos uma classe e a instanciamos! Uma classe que nem mesmo nome tem. Por esse motivo, o recurso é chamado de classe anônima. Ele aparece com certa frequência, em especial, para não precisar implementar interfaces em que o código dos métodos seria muito curto e não reutilizável.

Há ainda como diminuir mais o código, evitando a criação da variável temporária comparador e instanciando a interface dentro da invocação para o sort:

   List<String> lista = new ArrayList<>();
   lista.add("Sérgio");
   lista.add("Paulo");
   lista.add("Guilherme");

   Collections.sort(lista, new Comparator<String>() {
      public int compare(String s1, String s2) {
         return Integer.compare(s1.length(), s2.length());
      }
   });

   System.out.println(lista);

Escrevendo um Comparator com lambda no Java 8

Você pode fazer o download do Java 8 aqui:

https://jdk8.java.net/download.html

A partir dessa versão do Java, há uma forma mais simples de obter esse mesmo Comparator. Veja:

Collections.sort(lista, (s1, s2) -> Integer.compare(s1.length(), s2.length()));

O código (s1, s2) -> Integer.compare(s1.length(), l2.length()) gerará uma instância de Comparator, em que o compare devolve Integer.compare(s1.length, l2.length). Até mesmo o return não é necessário, já que só temos uma instrução após o ->. Esse é o recurso de lambda do Java 8.

Uma outra novidade do Java 8 é a possibilidade de declarar métodos concretos dentro de uma interface, os chamados default methods. Até o Java 7, não existia sort em listas. Colocar um novo método abstrato em uma interface pode ter consequências drásticas: todo mundo que a implementava para de compilar! Mas colocar um método default não tem esse mesmo impacto devastador, uma vez que as classes as quais implementam a interface herdam esse método. Então você pode fazer:

lista.sort((s1, s2) -> Integer.compare(s1.length(), s2.length()));

Há outros métodos nas coleções que utilizam o lambda para serem mais sucintos.

Um deles é o forEach. Você pode fazer lista.forEach(s -> System.out.println(s)).

O removeIf é outro deles. Por exemplo, podemos escrever lista.removeIf(c -> c.getSaldo() < 0). O removeIf recebe como argumento um objeto que implemente a interface Predicate, a qual tem apenas um método, o qual recebe um element e devolve boolean. Por ter apenas um método abstrato, também chamamos essa interface de interface funcional. O mesmo ocorre ao invocar o forEach, recebendo um argumento que implementa a interface funcional Consumer.

Mais? Method references, streams e collectors

Trabalhar com lambdas no Java 8 vai muito além. Há diversos detalhes e recursos que não veremos nesse primeiro curso. Caso tenha curiosidade e queira saber mais, veja no blog:

http://blog.caelum.com.br/o-minimo-que-voce-deve-saber-de-java-8/