Інтерфейси Collection, List, Set, Map: ієрархія

1. Що таке інтерфейс Collection

У Java інтерфейс — це своєрідний договір: якщо клас реалізує інтерфейс, він зобовʼязаний надати реалізацію всіх його методів. Сам по собі інтерфейс не зберігає стану й не містить коду. (Починаючи з Java 8, можливі default-методи, утім зараз важлива базова ідея.)

Collection — базовий інтерфейс для більшості колекцій у Java. Він визначає, що має вміти колекція: додавати та видаляти елементи, отримувати розмір, перевіряти наявність елементів тощо.

public interface Collection<E> extends Iterable<E> {
    int size();
    boolean isEmpty();
    boolean contains(Object o);
    boolean add(E e);
    boolean remove(Object o);
    void clear();
    Iterator<E> iterator();
    // ... і ще купа корисних методів
}

Ключові методи:

• add(E e) — додати елемент.
• remove(Object o) — видалити елемент.
• size() — дізнатися кількість елементів.
• isEmpty() — перевірити, чи порожня колекція.
• contains(Object o) — перевірити наявність елемента.
• clear() — очистити колекцію.
• iterator() — отримати ітератор для перебору.

Чому Map не наслідує Collection?

Map стоїть осторонь у світі колекцій, адже Map — це набір пар «ключ → значення», а не просто набір елементів. У Map інший контракт і власний набір методів. Наприклад, у Map немає методу add, адже додавання відбувається через put(key, value), і зазвичай немає сенсу перевіряти наявність значення, не знаючи ключа.

2. Ієрархія колекцій

Умовне «дерево» основних інтерфейсів виглядає так:

                Iterable
                   |
               Collection
               /    |    \
            List   Set   Queue
                          |
                        Deque

• Iterable — базовий інтерфейс: усе, що можна перебирати в циклі for-each.
• Collection — розширює Iterable, додає операції роботи з набором елементів.
• Три головні гілки:
  • List — впорядкований список, допускає дублікати.
  • Set — множина унікальних елементів, порядок залежить від реалізації.
  • Queue — черга (зазвичай FIFO); підвид — Deque (двобічна черга).

А ось Map живе окремо:

                Map
               /   \
         HashMap  TreeMap

Візуалізація ієрархії (схема)

                            +--------------------+
                            |     Iterable<E>    |
                            +--------------------+
                                     |
                            +--------------------+
                            |   Collection<E>    |
                            +--------------------+
                          /     |         \
                +--------+   +-------+   +-------+
                |  List  |   |  Set |   | Queue |
                +--------+   +-------+   +-------+
                                     |
                                  +------+
                                  |Deque |
                                  +------+

        +--------------------+
        |      Map<K,V>      |
        +--------------------+

3. List: впорядкована колекція з дублікатами

List — це колекція, де:

• Важливий порядок елементів (перший, другий, третій…).
• Допускаються однакові елементи (дублікати).
• Можна отримати елемент за індексом (list.get(2)), замінити, вставити в будь-яке місце.

Приклади реалізацій: ArrayList — швидкий доступ за індексом; LinkedList — зручний під час частих вставлень і видалень у середині списку.

import java.util.*;

List<String> shoppingList = new ArrayList<>();
shoppingList.add("Молоко");
shoppingList.add("Хліб");
shoppingList.add("Сир");
shoppingList.add("Хліб"); // Дублікати дозволені!

System.out.println(shoppingList.get(1)); // "Хліб"

Типові методи List:

• add(E e), add(int index, E e)
• get(int index), set(int index, E e)
• remove(int index), remove(Object o)
• indexOf(Object o), lastIndexOf(Object o)

4. Set: множина унікальних елементів

Set — це колекція, де:

• Кожен елемент унікальний (жодних дублікатів).
• У HashSet порядок не гарантується, у TreeSet можливе сортування, у LinkedHashSet зберігається порядок вставлення.

Приклади реалізацій: HashSet, TreeSet, LinkedHashSet.

import java.util.*;

Set<String> uniqueNames = new HashSet<>();
uniqueNames.add("Аня");
uniqueNames.add("Борис");
uniqueNames.add("Аня"); // Не додасться — вже є!

System.out.println(uniqueNames.contains("Аня")); // true
System.out.println(uniqueNames.size()); // 2

Типові методи Set:

• add(E e), remove(Object o)
• contains(Object o)
• size(), isEmpty()

5. Map: колекція пар ключ–значення

Map — це колекція, де:

• Кожен елемент — пара ключ → значення.
• Ключі унікальні, значення можуть повторюватися.
• Швидкий доступ за ключем.

Приклади реалізацій: HashMap, TreeMap, LinkedHashMap.

import java.util.*;

Map<String, String> phoneBook = new HashMap<>();
phoneBook.put("Аня", "+19991112233");
phoneBook.put("Борис", "+19994445566");
phoneBook.put("Аня", "+19990001122"); // Перезапише номер Ані!

System.out.println(phoneBook.get("Аня")); // "+19990001122"
System.out.println(phoneBook.containsKey("Борис")); // true

Типові методи Map:

• put(K key, V value), get(K key)
• remove(K key)
• containsKey(K key), containsValue(V value)
• keySet(), values(), entrySet()

6. Візуалізація ієрархії: усе на одній картинці

Невелика зведена таблиця:

List

ArrayList, LinkedList

Set

HashSet, TreeSet

Map

HashMap, TreeMap

Ієрархія на схемі:

                Collection
                /    |    \
             List   Set   Queue
                            |
                          Deque

                Map (окремо)

7. Коли використовувати який інтерфейс

List

• Коли важливий порядок елементів (наприклад, історія дій користувача).
• Коли потрібні дублікати (наприклад, позиції замовлення).
• Коли потрібен швидкий доступ або заміна за індексом.

Set

• Коли потрібна унікальність (електронні адреси, логіни, ID).
• Коли порядок не важливий або, навпаки, потрібна автоматично відсортована множина (TreeSet).

Map

• Коли потрібно зіставляти ключі та значення (ID → обʼєкт, логін → профіль).
• Коли потрібен швидкий пошук за ключем.
• Коли ключі мають бути унікальні, а значення — ні.

8. Типові помилки під час роботи з ієрархією колекцій

Помилка № 1: Використання неправильного інтерфейсу в оголошенні змінної. Якщо ви пишете ArrayList<String> list = new ArrayList<>();, ви жорстко привʼязуєтеся до реалізації. Краще List<String> list = new ArrayList<>(); — так простіше замінити реалізацію.

Помилка № 2: Спроба додати дублікати в Set і очікування, що вони зʼявляться. Це не помилка, а особливість: Set за визначенням не зберігає дублікати. Повторна вставка ігнорується.

Помилка № 3: Використання Map як звичайної колекції. Map — це не список і не множина. Для перебору використовуйте keySet(), values() або entrySet().

Помилка № 4: Очікування порядку в HashSet або HashMap. HashSet і HashMap не гарантують порядок. Якщо він важливий — використовуйте LinkedHashSet або LinkedHashMap.

Помилка № 5: Використання List для унікальних елементів. Якщо потрібна унікальність — використовуйте Set. List не запобігає дублікатам.