インターフェース Collection, List, Set, Map: 階層構造

1. Collection インターフェースとは

Java におけるインターフェースは契約のようなものです。クラスがインターフェースを実装するなら、そのメソッドすべての実装を提供しなければなりません。インターフェース自体は状態を保持せず、コードを含みません（例外もあります。Java 8 以降は default メソッドが可能ですが、ここでは基本の考え方が重要です）。

Collection は Java の大半のコレクションの基本インターフェースです。コレクションが何をできるかを定義します: 要素の追加、削除、サイズの取得、要素の有無の確認など。

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();
    // ... ほかにも便利なメソッドがたくさんある
}

主なメソッド:

• add(E e) — 要素を追加する。
• remove(Object o) — 要素を削除する。
• size() — 要素数を取得する。
• isEmpty() — 空かどうかを確認する。
• contains(Object o) — 要素の存在を確認する。
• clear() — コレクションを空にする。
• iterator() — 反復処理用のイテレーターを取得する。

なぜ Map は Collection を継承しないのか?

Map はコレクションの中でも特別です。Map は単なる要素集合ではなく「キー → 値」のペア集合だからです。契約もメソッド群も異なります。例えば、Map には add メソッドはありません。追加は put(key, value) で行い、キーを知らずに値の有無を調べても意味がありません。

2. コレクションの階層

主要インターフェースの「木構造」は次のとおりです:

                Iterable
                   |
               Collection
               /    |    \
            List   Set   Queue
                          |
                        Deque

• Iterable — 最も基本的なインターフェース。for-each で反復できるもの。
• Collection — Iterable を拡張し、要素コレクションの操作を追加。
• 主な枝は 3 つ:
  • List — 順序付きのリスト。重複可。
  • Set — 一意な要素の集合。順序は実装に依存。
  • Queue — キュー（通常は FIFO）。亜種として Deque（両端キュー）。

一方、Map は別系統です:

                Map
               /   \
         HashMap  TreeMap

階層の可視化（図）

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

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

3. List: 順序付きで重複を許すコレクション

List は次のようなコレクションです:

• 要素の順序が重要（1 番目、2 番目、3 番目…）。
• 同じ要素（重複）を許可。
• インデックスで要素を取得（list.get(2)）、置換、任意の位置に挿入できる。

実装例: ArrayList — インデックスアクセスが高速。LinkedList — 中間での挿入/削除が多い場合に適する。

import java.util.*;

List<String> shoppingList = new ArrayList<>();
shoppingList.add("牛乳");
shoppingList.add("パン");
shoppingList.add("チーズ");
shoppingList.add("パン"); // 重複は許可される!

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

List の代表的なメソッド:

• 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: 一意な要素の集合

Set は次のようなコレクションです:

• 各要素が一意（重複なし）。
• HashSet では順序は保証されず、TreeSet ではソートされる場合があり、LinkedHashSet では挿入順を保持。

実装例: HashSet、TreeSet、LinkedHashSet。

import java.util.*;

Set<String> uniqueNames = new HashSet<>();
uniqueNames.add("Anya");
uniqueNames.add("Boris");
uniqueNames.add("Anya"); // 追加されません — すでに存在します!

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

Set の代表的なメソッド:

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

5. Map: キーと値のペアのコレクション

Map は次のようなコレクションです:

• 各要素は キー → 値 のペア。
• キーは一意、値は重複可。
• キーによる高速アクセス。

実装例: HashMap、TreeMap、LinkedHashMap。

import java.util.*;

Map<String, String> phoneBook = new HashMap<>();
phoneBook.put("Anya", "+19991112233");
phoneBook.put("Boris", "+19994445566");
phoneBook.put("Anya", "+19990001122"); // Anya の番号を上書きします！

System.out.println(phoneBook.get("Anya")); // "+19990001122"
System.out.println(phoneBook.containsKey("Boris")); // true

Map の代表的なメソッド:

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

6. 階層の可視化: 1 枚にまとめると

簡単なまとめ表:

List

ArrayList, LinkedList

Set

HashSet, TreeSet

Map

HashMap, TreeMap

階層の図:

                Collection
                /    |    \
             List   Set   Queue
                            |
                          Deque

                Map (別系統)

7. どのインターフェースをいつ使うか

List

• 要素の順序が重要なとき（例: ユーザー操作の履歴）。
• 重複が必要なとき（例: 注文の明細）。
• インデックスによる高速なアクセスや置換が必要なとき。

Set

• 一意性が必要なとき（メール、ログイン、ID など）。
• 順序が重要でない、または自動的にソートされた集合が必要なとき（TreeSet）。

Map

• キーと値を対応付けたいとき（id → オブジェクト、ログイン → プロフィール）。
• キーによる高速検索が必要なとき。
• キーは一意である必要があり、値は一意でなくてよいとき。

8. コレクション階層を扱う際のよくある誤り

エラー No. 1: 変数の宣言で不適切なインターフェースを使う。 ArrayList<String> list = new ArrayList<>(); のように書くと、実装に強く結び付いてしまいます。望ましいのは List<String> list = new ArrayList<>(); — この方が実装を差し替えやすくなります。

エラー No. 2: Set に重複を追加しようとして、反映されると期待する。 これはバグではなく仕様です。Set は定義上、重複を保持しません。再挿入は無視されます。

エラー No. 3: Map を通常のコレクションとして扱う。 Map はリストでも集合でもありません。走査には keySet()、values()、entrySet() を使いましょう。

エラー No. 4: HashSet や HashMap に順序を期待する。 HashSet と HashMap は順序を保証しません。順序が重要なら LinkedHashSet や LinkedHashMap を使いましょう。

エラー No. 5: 一意要素に List を使う。 一意性が必要なら Set を使いましょう。List は重複を防ぎません。

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