Java集合简单理解

Java 的集合框架（Java Collections Framework, JCF）是 Java 中用于存储和操作数据结构的核心库，提供了丰富的接口和实现类，用于处理不同类型的集合数据。以下是详细的介绍：

一、集合框架的体系结构

Java 集合主要分为两大接口：

1. Collection 接口 ：存储单一元素。
   • 子接口： List （有序可重复）、 Set （无序不可重复）、 Queue （队列）。
2. Map 接口 ：存储键值对（Key-Value）。

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二、 Collection 接口及实现类

1. List （有序、可重复）

• 特点 ：元素按插入顺序存储，允许重复。
• 常用实现类 ：
  • ArrayList ：
    • 基于动态数组实现，支持快速随机访问（通过索引）。
    • 初始容量为 10，扩容时增长 50%（ newCapacity = oldCapacity + oldCapacity >> 1 ）。
    • 线程不安全，适用于读多写少的场景。
  • LinkedList ：
    • 基于双向链表实现，插入和删除效率高（时间复杂度 O(1)）。
    • 支持队列（ Queue ）和双端队列（ Deque ）操作。
  • Vector （已过时）：
    • 线程安全的动态数组，所有方法用 synchronized 修饰，性能较差。
    • 替代方案：使用 Collections.synchronizedList(new ArrayList<>()) 或 CopyOnWriteArrayList （并发场景）。

2. Set （无序、不可重复）

• 特点 ：元素唯一，不保证顺序。
• 常用实现类 ：
  • HashSet ：
    • 基于 HashMap 实现，元素存储在键的位置（值用 PRESENT 对象占位）。
    • 依赖 hashCode() 和 equals() 保证唯一性。
    • 时间复杂度：添加、删除、查询均为 O(1)。
  • LinkedHashSet ：
    • 继承 HashSet ，内部通过链表维护插入顺序。
    • 适合需要按插入顺序遍历的场景。
  • TreeSet ：
    • 基于红黑树（ TreeMap ）实现，元素按自然顺序或自定义 Comparator 排序。
    • 时间复杂度：添加、删除、查询均为 O(log n)。

3. Queue （队列）

• 特点 ：先进先出（FIFO）或优先级的元素处理。
• 常用实现类 ：
  • LinkedList ：可作为普通队列使用。
  • PriorityQueue ：
    • 基于堆结构实现，元素按优先级排序。
    • 自然顺序或通过 Comparator 定义顺序。
  • ArrayDeque ：
    • 基于循环数组实现的双端队列，适合高效的头尾操作。

三、 Map 接口及实现类

• 特点 ：键值对存储，键唯一。
• 常用实现类 ：
  • HashMap ：
    • 基于数组+链表/红黑树（Java 8+），键的哈希值决定存储位置。
    • 允许 null 键和 null 值，线程不安全。
    • 扩容机制：默认容量 16，负载因子 0.75（容量达到阈值时扩容为 2 倍）。
  • LinkedHashMap ：
    • 继承 HashMap ，通过链表维护插入顺序或访问顺序（LRU 缓存）。
  • TreeMap ：
    • 基于红黑树实现，键按自然顺序或自定义 Comparator 排序。
  • Hashtable （已过时）：
    • 线程安全的哈希表，被 ConcurrentHashMap 取代。
  • ConcurrentHashMap ：
    • 分段锁（Java 7）或 CAS + synchronized（Java 8+）实现高并发。
    • 推荐替代 Hashtable 用于多线程场景。

四、工具类 Collections

提供对集合的常用操作：

• 排序： Collections.sort(list)
• 线程安全包装： Collections.synchronizedList(list)
• 不可变集合： Collections.unmodifiableList(list)
• 查找极值： Collections.max(collection)

五、迭代器 Iterator

• 作用 ：遍历集合元素。
• fail-fast 机制 ：
  • 在遍历过程中检测到集合被修改（如 add / remove ），立即抛出 ConcurrentModificationException 。
  • 适用于 ArrayList 、 HashMap 等非线程安全集合。
• fail-safe 机制 ：
  • 遍历时对原集合的修改不影响迭代器（如 ConcurrentHashMap 的迭代器）。

六、Java 8+ 新特性

1. Lambda 表达式与集合 ：

   list.forEach(element -> System.out.println(element));

2. Stream API ：

   list.stream().filter(e -> e > 5).map(e -> e * 2).collect(Collectors.toList());

3. HashMap 优化 ：

   • 当链表长度 ≥ 8 时转换为红黑树，提高查询效率。

七、如何选择集合类？

• 需要唯一性 ： Set （ HashSet 、 TreeSet ）。
• 需要有序性 ： List （ ArrayList 、 LinkedList ）。
• 键值对存储 ： Map （ HashMap 、 ConcurrentHashMap ）。
• 多线程环境 ： ConcurrentHashMap 、 CopyOnWriteArrayList 。
• 排序需求 ： TreeSet 、 TreeMap 。

八、示例代码

// List 示例
List<String> arrayList = new ArrayList<>();
arrayList.add("Java");
arrayList.add("Python");

// Set 示例
Set<Integer> hashSet = new HashSet<>();
hashSet.add(1);
hashSet.add(2);

// Map 示例
Map<String, Integer> hashMap = new HashMap<>();
hashMap.put("Apple", 10);
hashMap.put("Banana", 20);

// 使用 Stream 过滤
List<Integer> numbers = Arrays.asList(1, 2, 3, 4, 5);
List<Integer> evenNumbers = numbers.stream()
                                   .filter(n -> n % 2 == 0)
                                   .collect(Collectors.toList());

通过理解集合框架的结构和特性，可以更高效地选择适合业务场景的数据结构。