[java] 자료구조 Set, Iterator

개요

• 아래와 같은 소스코드 파악을 위해
  • Java에서 컬렉션 프레임워크를 사용해서 데이터를 다루는 법에 대해 배워보자

// hm = HashMap<String, String> 
Set<Entry<String, String>> s = hm.entrySet();  
Iterator<Entry<String, String>> it = s.iterator();

while(it.hasNext()){
    Map.Entry<String, String> m = (Map.Entry<String, String>)it.next();
    String value = m.getValue();
    ...
}

1. Java Collection Framework

• 자료구조 종류의 형태들을 자바 클래스로 구현한 모음집이라고 보면 된다
• Tip ) 컬렉션 프레임워크에 저장할 수 있는 데이터는 오로지 객체(Object) 뿐이다
  • 즉, primitive 타입은 Wrapper타입으로 변환하여 객체형으로 Boxing하여 저장하여야 한다
  • 또한, 객체를 담는다는 것은 곧 주소값을 담는다는 뜻이니, null도 저장이 가능하다

2. JCF의 종류

• 크게 Collection 인터페이스와 Map 인터페이스로 나뉜다
  • Collection인터페이스는 다시 List 인터페이스와 Set 인터페이스로 나뉘고
  • Map 인터페이스는 두 개의 데이터를 묶어 한 쌍으로 다루는 특징으로 Collection 인터페이스와 따로 분리되어 있다
• Tip) 대부분의 컬렉션 클래스들은 List, Set, Map 중 하나를 구현하고 있으며, 구현한 인터페이스의 이름이 클래스 이름에 포함되는 특징이 있다
  • ex) ArrayList, HashSet, HashMap 등
• 예외로 Vector, Stack, Hashtable, Properties 등의 클래스들은 컬렉션 프레임워크가 만들어지기 이전부터 존재하던 것이어서 JCF의 명명법을 따르지 않고 있다
  • 이러한 기존의 컬렉션 클래스들은 호환을 위해 남겨진 것이므로 가급적 사용하지 않는 것이 좋다

2-1. JCF 주요 인터페이스의 간략한 특징

인터페이스	설명	구현 클래스
List	순서가 있는 데이터의 집합, 데이터의 중복을 허용함	Vector, ArrayList, LinkedList, Stack, Queue
Set	순서가 없는 데이터의 집합, 데이터의 중복을 허용하지 않음	HashSet, TreeSet
Map<K, V>	키와 값의 한 쌍으로 이루어지는 데이터의 집합, 순서가 없음. 키는 중복을 허용하지 않으나, 값은 중복될 수 있음	HashMap, TreeMap, Hashtable, Properties

3. Iterable 인터페이스

• 컬렉션 인터페이스들의 가장 최상위 인터페이스
• 이 인터페이스로 관리되는 Iterator 객체로 컬렉션으로 구현된 자료들을 순회(순차적으로 접근)할 때 사용할 수 있다
  • 이 Iterator객체를 통해 데이터 집합을 순회할 경우 장점은 다음과 같다
    • 컬렉션마다 구조가 다르고 요소에 접근하는 방법이 상이한데, 이를 사용하면 요소에 접근하는 방식을 공통화할 수 있다

메서드	설명
default void forEach(Consumer<? super T> action)	Iterable 모든 요소가 처리되거나 작업에서 예외가 발생할 때까지 각 요소에 대해 지정된 작업을 수행
Iterator iterator()	이터레이터 객체를 반환
default Spliterator splierator()	파이프라이닝 관련 메소드

• Tip ) 참고로, Map은 interable 인터페이스를 상속받지 않기 때문에 iterator()와 spliterator()는 Map 컬렉션에 구현되어 있지 않다
  • 따라서, 직접적으로 Map 컬렉션을 순회할수는 없고, Stream(스트림)을 사용하거나
  • 간접적으로 키를 Collection으로 반환하여 루프문으로 순회하는 방식으로 이용한다

4. Collection 인터페이스

• List, Set, Queue가 상속되는 실질적인 최상위 컬렉션 타입
• 업캐스팅으로 다양한 종류의 컬렉션 자료형을 받아, 자료를 삽입하거나 삭제, 탐색할 수 있다 (= 다형성)

Collection<Number> col1 =  new  ArrayList<>();  
col1.add(1);  

Collection<Number> col2 =  new  HashSet<>();  

Collection<Number> col3 =  new  LinkedList<>();  

5. Set 인터페이스

• 데이터의 중복을 허용하지 않고 순서를 유지하지 않는 데이터의 집합 리스트 (집합적인 저장공간)
• 순서 자체가 없으므로, 인덱스로 객체를 검색해 가져오는 get(index)메서드도 존재하지 않음
• 중복 저장이 불가능한데, 심지어 null값도 하나만 저장할 수 있다

메서드	설명
boolean add(E e)	주어진 객체를 저장 후 성공적이면 true, 중복 객체면 false 리턴
boolean contains(Object o)	주어진 객체가 저장되어있는지 여부를 리턴
Iterator iterator()	저장된 객체를 한번씩 가져오는 반복자를 리턴
isEmpty()	컬렉션이 비어있는지 조사
int Size()	저장되어 있는 전체 객체수를 리턴
void clear()	저장된 모든 객체를 삭제
boolean remove(Object o)	주어진 객체를 삭제

5-1. HashSet 클래스

• 배열과 연결 노드를 결합한 자료구조 형태
• 가장 빠른 임의 검색 접근 속도를 가진다
• 추가, 삭제, 검색, 접근성이 모두 뛰어나다
• 대신 순서를 전혀 예측할 수 없다

5-2. LinkedHashSet 클래스

• 순서를 가지는 Set 자료
• 추가된 순서 또는 가장 최근에 접근한 순서대로 접근 가능
• 만일 중복을 제거하는 동시에 저장한 순서를 유지하고 싶다면, HashSet 대신 LinkedHashSet을 사용하면 됨

5-3. TreeSet 클래스

• 이진 검색트리 (binary search tree) 자료구조의 형태로 데이터를 저장
• 중복을 허용하지 않고, 순서를 가지지 않음
• 대신 데이터를 정렬하여 저장하고 있다는 특징
• 정렬, 검색, 범위 검색에 높은 성능

5-4. EnumSet 추상 클래스

• Enum 클래스와 함께 동작하는 Set 컬렉션
• 중복되지 않은 상수 그룹을 나타내는데 사용됨
• 산술 비트 연산을 사용하여 구현되어, HashSet보다 훨씬 빠르고 적은 메모리를 사용한다
• 단, enum 타입의 요소값만 저장할 수 있고, 모든 요소들은 동일한 enum 객체에 소속되어야 한다
• EnumSet은 추상클래스로, 이를 상속한 RegularEnumSet 혹은 JumboEnumSet 객체를 사용하게 된다

6. Map 인터페이스

• 키(key)와 값(value)의 쌍으로 연관지어 이루어진 데이터의 집합
• 값(value)은 중복되어 저장될 수 있지만, 키(key)는 해당 map에서 고유해야함
• 만일 기존에 저장된 데이터와 중복된 키와 값을 저장하면, 기존의 값을 없어지고 마지막에 저장한 값이 남는다
• 저장 순서 유지 안됨

추상메서드	설명
void clear()	Map의 모든 객체를 삭제
boolean containsKey(Object key)	지정된 key객체와 일치하는 객체가 있는지 확인
boolean containsValue(Object value)	지정된 value객체와 일치하는 객체가 있는지 확인
Set entrySet()	Map에 저장된 key-value쌍을 Map.Entry 타입의 객체로 저장한 Set을 반환
boolean equals(Object o)	동일한 Map인지 비교
Object get(Object key)	지정한 key 객체에 대응하는 value 객체를 반환
int hashCode()	해시코드를 반환
boolean isEmpty()	Map이 비어있는지 확인
Set keySet()	Map에 저장된 모든 key 객체를 반환
Object put(Object key, Object value)	Map에 key 객체와 value 객체를 연결(mapping)하여 저장
void putAll(Map t)	지정된 Map의 모든 key-value쌍을 추가
Object remove(Object key)	지정한 key객체와 일치하는 key-value 객체를 삭제
int size()	Map에 저장된 key-value 쌍의 개수를 반환
Collection values()	Map에 저장된 모든 value 객체를 반환

tip :
Map 인터페이스의 메소드를 보면, Key값을 반환할 때는 Set 인터페이스 타입으로 반환하고, Value값을 반환할 때는 Collection 타입으로 반환하는 것을 볼 수 있다.

이는 Map 인터페이스에서 값(value)은 중복을 허용하기 때문에 Collection 타입으로 반환하고, 키(key)는 중복을 허용하지 않기 때문에 Set 타입으로 반환하는 것이다

6-1. Map.Entry 인터페이스

• Map.Entry 인터페이스는 Map 인터페이스 안에 있는 내부 인터페이스이다
• Map에 저장되는 key-value 쌍의 Node 내부 클래스가 이를 구현하고 있다
• Map 자료구조를 보다 객체지향적인 설계를 하도록 유도하기 위함

메서드	설명
boolean equals(Object o)	동일한 Entry인지 비교
Object getKey()	Entry의 key 객체를 반환
Object getValue()	Entry의 value 객체를 반환
int hashCode()	Entry의 해시코드 반환
Object setValue(Object value)	Entry의 value 객체를 지정된 객체로 바꿈

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

// Map.Entry 인터페이스를 구현하고 있는 Key-Value 쌍을 가지고 있는 HashMap의 Node 객체들의 Set 집합을 반환
Set<Map.Entry<String, Integer>> entry = map.entrySet();

System.out.println(entry); // [1=a, 2=b, 3=c]

// Set을 순회하면서 Map.Entry를 구현한 Node 객체에서 key와 value를 얻어 출력
for (Map.Entry<String, Integer> e : entry) {
    System.out.printf("{ %s : %d }\n", e.getKey(), e.getValue());
}

6-2. HashMap 클래스

• HashTable을 보완한 컬렉션
• 배열과 연결이 결합된 Hashing 형태
  • 키(key) 와 값(value)을 묶어 하나의 데이터로 저장
• 중복을 허용하지 않고, 순서를 보장하지 않음
• 키과 값에 null이 허용
• 추가, 삭제, 검색, 접근성이 모두 뛰어나다
• HashMap은 비동기로 작동하기 때문에 멀티쓰레드 환경에서는 어울리지 않는다 (대신 ConcurrentHashMap 사용)

Map<String, String> hashMap = new HashMap<>();

hashMap.put("love", "사랑");
hashMap.put("apple", "사과");
hashMap.put("baby", "아기");

hashMap.get("apple"); // "사과"

// hashmap의 key값들을 set 집합으로 반환하고 순회
for(String key : hashMap.keySet()) {
    System.out.println(key + " => " + hashMap.get(key));
}
/*
love => 사랑
apple => 사과
baby => 아기
*/

6-3. LinkedHashMap 클래스

• HashMap을 상속하기 때문에 흡사하나, Entry들이 연결리스트를 구성하여 데이터의 순서를 보장
• 일반적으로 Map 자료구조는 순서를 가지지 않으나, LinkedHashMap은 들어온 순서대로 순서를 가짐

6-4. TreeMap 클래스

• 이진 검색 트리의 형태로 키와 값의 쌍으로 이루어진 데이터를 저장(TreeSet과 같은 원리)
• TreeMap은 SortedMap 인터페이스를 구현하고 있어, Key값을 기준으로 정렬되는 특징
• 정렬된 순서로 키/값 쌍을 저장하므로, 빠른 검색(특히 범위검색)이 가능
  • 단 저장하는 동시에 정렬을 행하므로 저장시간이 다소 걸림
• 정렬순서 : 숫자 -> 알파벳 대문자 -> 알파벳 소문자 -> 한글 순

6-5. HashTable 클래스

• Key를 특정 해시 함수를 통해 해싱한 후, 나온 결과를 배열의 인덱스로 사용해 Value를 찾는 방식으로 동작
• HashMap 보다는 느리나 동기화가 기본적으로 지원됨
• 키와 값으로 null 허용X

6-6. Properties 클래스

• Properties(String, String) 의 형태로 저장하는 단순화된 key-value 컬렉션
• 주로 애플리케이션 환경설정과 관련된 속성 파일인 .properties 설정하는데 사용

7. 결국, 아래 코드의 해석은

// hm = HashMap<String, String> 
// 1. hashMap의 데이터를 키-값이 String형인 엔트리(Map.Entry타입)객체를 담은 Set형식으로 만들고 
// (Set : 중복허용X, 순서유지X)
Set<Entry<String, String>> s = hm.entrySet();  
// 2. Entry 객체를 하나씩 가져오는 반복자(Iterator)에 담고 
Iterator<Entry<String, String>> it = s.iterator();

// 3. hasNext()를 써서 다음요소가 있으면 가져오고
while(it.hasNext()){
    Map.Entry<String, String> m = (Map.Entry<String, String>)it.next();
    // 4. Entry의 value객체를 value변수에 담는다 
    String value = m.getValue();
    ...
}

즉, 간략히 해석하자면 hashMap에 있는 데이터들을 쭉 꺼내어 value값을 담는 코드!라고 볼 수 있다

7-1. Iterator 의 장점

• 컬렉션에서 요소를 제어하는 기능을 수행
• next(), previous()를 사용하여 컬렉션의 앞뒤로 이동할 수 있음
• hasNext()를 써서 더 많은 요소가 있는지 확인할 수 있음
• 인덱스가 없는 Set과 같은 자료구조의 경우, for문을 사용할 수 없고 for-each문에서도 문제가 발생할 수 있다 (ex. ConcurrentModificationException) 따라서 이런 경우 Iterator를 사용할 수 있다

참고 사이트

• https://inpa.tistory.com/entry/JCF-%F0%9F%A7%B1-Collections-Framework-%EC%A2%85%EB%A5%98-%EC%B4%9D%EC%A0%95%EB%A6%AC
• https://inpa.tistory.com/entry/GOF-%F0%9F%92%A0-%EB%B0%98%EB%B3%B5%EC%9E%90Iterator-%ED%8C%A8%ED%84%B4-%EC%99%84%EB%B2%BD-%EB%A7%88%EC%8A%A4%ED%84%B0%ED%95%98%EA%B8%B0#iterator_pattern
• https://www.tcpschool.com/java/java_collectionFramework_concept
• https://docs.oracle.com/javase/8/docs/api/java/lang/Iterable.html