Java 集合框架详解（Java Collections Framework）
Java 集合框架（JCF）是 Java SE 中最核心的部分之一，位于 java.util 包下。它提供了一套统一的接口、抽象类和实现类，用于存储、管理和操作对象的集合（如列表、集合、映射等）。集合框架的核心目标是：高效、类型安全、易扩展。
本文将从基础到高级，系统详解集合框架，包括架构、核心接口/类、常用方法、线程安全、性能分析、源码要点、常见问题及最佳实践。基于 Java 17+（2026 主流版本）的视角，结合实际开发经验。
一、集合框架整体架构
集合框架分为两大体系：
- Collection 接口：单值集合（元素是单个对象）。
- 子接口：List（有序、可重复）、Set（无序、不重复）、Queue（队列）、Deque（双端队列）。
- Map 接口：键值对集合（key-value pairs，不继承 Collection）。
抽象类（如 AbstractList、AbstractSet）提供骨架实现，方便自定义扩展。
核心类图简述（文字版）：
Collection (接口)
├── List (接口)
│ ├── ArrayList
│ ├── LinkedList
│ └── Vector (遗留)
├── Set (接口)
│ ├── HashSet
│ ├── LinkedHashSet
│ └── TreeSet (SortedSet/NavigableSet)
├── Queue (接口)
│ ├── PriorityQueue
│ └── ArrayDeque (Deque 接口实现)
└── Map (接口)
├── HashMap
├── LinkedHashMap
├── TreeMap (SortedMap/NavigableMap)
└── Hashtable (遗留)- 辅助类：Collections（工具类，提供排序、同步等）、Arrays（数组工具）。
二、核心接口与实现类详解
1. List 接口（有序、可重复）
- 特点：支持索引访问、允许重复元素。
- 常用实现：
- ArrayList（首选）：底层动态数组（Object[]），随机访问 O(1)，扩容机制（1.5 倍增长）。
- LinkedList：底层双向链表，支持 Queue/Deque 接口，头尾操作 O(1)，随机访问 O(n)。
- Vector：类似 ArrayList 但线程安全（synchronized），性能差，已过时。
2. Set 接口（无序、不重复）
- 特点：不允许重复（equals 判断），无索引。
- 常用实现：
- HashSet：底层 HashMap（key 存元素），O(1) 平均操作。
- LinkedHashSet：HashSet + 双向链表，保持插入顺序。
- TreeSet：底层红黑树（TreeMap），自动排序，支持 NavigableSet 接口（ceiling/floor 等）。
3. Queue 接口（先进先出 FIFO）
- 特点：用于任务调度、缓冲。
- 常用实现：
- PriorityQueue：底层堆（数组），按优先级出队 O(log n)。
- ArrayDeque：底层循环数组，双端队列，性能优于 LinkedList。
4. Map 接口（键值对）
- 特点：key 唯一（equals + hashCode），value 可重复。
- 常用实现：
- HashMap（首选）：JDK8+ 数组 + 链表 + 红黑树（链表 >8 转树），负载因子 0.75。
- LinkedHashMap：HashMap + 双向链表，支持插入/访问顺序（LRU 缓存）。
- TreeMap：底层红黑树，按 key 排序，支持 NavigableMap（subMap 等）。
- Hashtable：线程安全版 HashMap，已过时。
Java 9+ 新增：不可变集合，如 List.of()、Set.of()、Map.of()，用于快速创建只读集合。
三、常用方法汇总（以 Collection 和 Map 为例）
Collection 接口方法
| 方法类别 | 示例方法 | 描述 |
|---|---|---|
| 添加 | add(E e), addAll(Collection c) | 添加元素/集合 |
| 删除 | remove(Object o), clear() | 删除元素/清空 |
| 查询 | contains(Object o), size(), isEmpty() | 检查包含/大小/空 |
| 遍历 | iterator(), forEach(Consumer) | 迭代器/函数式遍历（Java 8+） |
| 转换 | toArray() | 转数组 |
Map 接口方法
| 方法类别 | 示例方法 | 描述 |
|---|---|---|
| 添加/修改 | put(K key, V value), putAll(Map m) | 插入/覆盖键值对 |
| 删除 | remove(Object key), clear() | 删除键/清空 |
| 查询 | get(Object key), containsKey(K key) | 获取值/检查键 |
| 遍历 | keySet(), values(), entrySet() | 获取键集/值集/键值对集 |
| Java 8+ 新增 | computeIfAbsent, merge | 函数式操作（如默认值） |
示例代码（ArrayList + HashMap）：
import java.util.*;
public class CollectionDemo {
public static void main(String[] args) {
// List 示例
List<String> list = new ArrayList<>();
list.add("apple");
list.add("banana");
list.add(1, "orange"); // 插入到索引1
System.out.println(list.get(0)); // apple
// Map 示例
Map<Integer, String> map = new HashMap<>();
map.put(1, "one");
map.put(2, "two");
System.out.println(map.get(1)); // one
// 遍历
map.forEach((k, v) -> System.out.println(k + ": " + v));
}
}四、线程安全与并发集合
标准集合（如 ArrayList、HashMap）非线程安全，多线程下可能 ConcurrentModificationException。
- 遗留安全类：Vector、Hashtable（synchronized，全同步，性能低）。
- 现代推荐（java.util.concurrent 包）：
- ConcurrentHashMap：分段锁 + CAS，读无锁，高并发首选。
- CopyOnWriteArrayList：写时复制，读无锁，适合读多写少。
- ConcurrentLinkedQueue：无锁队列，CAS 实现。
- 同步包装：Collections.synchronizedList(list)，但性能不如并发包。
示例：
Map<String, String> safeMap = new ConcurrentHashMap<>();
safeMap.putIfAbsent("key", "value"); // 原子操作五、性能分析与选择指南
性能对比表（平均复杂度）
| 集合类型 | 添加 | 删除 | 查询 | 遍历 | 空间开销 | 适用场景 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| ArrayList | O(1) 摊销 | O(n) | O(1) | O(n) | 中等 | 随机访问、尾部操作 |
| LinkedList | O(1) | O(1) | O(n) | O(n) | 高（节点） | 频繁插入/删除 |
| HashSet/Map | O(1) | O(1) | O(1) | O(n) | 中等 | 快速查找、去重 |
| TreeSet/Map | O(log n) | O(log n) | O(log n) | O(n) | 中等 | 排序、范围查询 |
| PriorityQueue | O(log n) | O(log n) | O(1) peek | O(n) | 中等 | 优先级调度 |
- HashMap 源码要点：hash = key.hashCode() ^ (h >>> 16)，链表转树阈值 8，树转链表阈值 6。
- 选择决策：
- 列表：99% 用 ArrayList，除非频繁头操作用 LinkedList/ArrayDeque。
- 集合：去重用 HashSet，需要顺序用 LinkedHashSet，排序用 TreeSet。
- 映射：普通用 HashMap，顺序用 LinkedHashMap，排序用 TreeMap。
- 并发：一律 ConcurrentXXX。
六、常见问题与最佳实践
常见问题
- ConcurrentModificationException：遍历时修改集合。解决：用 Iterator.remove() 或 CopyOnWrite。
- Null 值：HashMap 允许 null key/value，TreeMap 不允许 null key。
- 扩容开销：ArrayList 默认容量 10，扩容 1.5 倍。建议预估大小：
new ArrayList<>(100)。 - equals 与 hashCode：自定义类做 key/set 元素，必须重写（否则不唯一）。
- 不可变集合：Java 9+ 用 List.of()，避免意外修改。
最佳实践（2026 主流）
- 接口编程：
List<T> list = new ArrayList<>();（泛型 + 菱形运算符）。 - 函数式：用 stream() 处理，如
list.stream().filter(x -> x > 0).collect(Collectors.toList());。 - 大集合：用 Guava 或 Apache Commons 扩展（如 Multimap）。
- 内存优化：大 Map 用 LinkedHashMap + removeEldestEntry 实现 LRU。
- 避免遗留：别用 Vector/Hashtable，用并发包代替。
- 测试：用 JUnit 测试集合行为，尤其是自定义 equals/hashCode。
七、扩展与高级主题
- Java 8+ 增强：default 方法（如 Map.getOrDefault）、Stream API。
- 自定义集合：继承 AbstractList 等，实现最小方法。
- 序列化：集合实现 Serializable，但注意 transient 字段。
- 与数组：Arrays.asList() 转 List，但固定大小。
集合框架是 Java 开发的基石，熟练掌握能显著提升代码效率和质量。如果想深入某个类源码（如 HashMap 的 resize）、具体示例代码，或与 Kotlin/Scala 集合对比，继续问我～
