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：

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）。
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

Lambda 表达式与集合：

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

Stream API：

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

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());