Java 集合框架详解 | 枫叶の博客

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1. 集合的基本概念

*集合（Collection）**是一个接口，代表一组对象的集合。Java集合框架提供了各种接口和类，用于存储、检索和操作数据。集合框架的设计目标是提供统一的编程接口，支持不同类型的数据结构和算法。

为什么使用集合？

动态大小：与数组不同，集合的大小是可变的，可以根据需要自动调整。

丰富的操作：集合框架提供了丰富的方法用于添加、删除、查找、排序等操作。

泛型支持：集合可以使用泛型来确保类型安全，减少类型转换错误。

多样的实现：不同的集合实现适用于不同的场景，如快速访问、快速插入删除等。

2. 集合框架的接口层次结构

Java集合框架的接口层次结构如下图所示：

2.1 Collection接口

Collection是Java集合框架的根接口，定义了一组基本操作，如添加、删除、遍历等。所有的集合类（除了Map）都直接或间接地实现了Collection接口。

2.2 List接口

List接口表示一个有序的集合，允许存储重复的元素。常用的实现类包括ArrayList、LinkedList和Vector。

特点：

有序：元素按插入顺序排列，可以通过索引访问。

允许重复：同一个元素可以出现多次。

2.3 Set接口

Set接口表示一个不包含重复元素的集合。常用的实现类包括HashSet、LinkedHashSet和TreeSet。

特点：

无序或有序：部分实现如TreeSet是有序的，HashSet则是无序的。

不允许重复：集合中不允许存在重复的元素。

2.4 Queue接口

Queue接口表示一个先进先出（FIFO）的队列，适用于存储等待处理的元素。常用的实现类包括LinkedList和PriorityQueue。

特点：

有序：元素按插入顺序排列。

允许重复：可以包含相同的元素。

特定操作：支持插入、删除、查看队首元素等操作。

2.5 Map接口

Map接口表示一个键值对的集合，键唯一但值可以重复。Map不是Collection的子接口，但属于集合框架的一部分。常用的实现类包括HashMap、LinkedHashMap和TreeMap。

特点：

键唯一：每个键对应一个值，键不能重复。

允许值重复：不同键可以映射到相同的值。

快速查找：根据键快速查找对应的值。

3. 常用集合类

3.1 ArrayList

ArrayList是List接口的一个动态数组实现，支持快速随机访问，但在中间插入或删除元素时效率较低。

特点：

动态数组：内部使用数组存储元素，自动调整大小。

快速访问：通过索引访问元素的时间复杂度为O(1)。

线程不安全：在多线程环境下需要手动同步。

使用场景：

需要频繁随机访问元素。

元素主要在末尾添加或删除。

3.2 LinkedList

LinkedList是List和Deque接口的实现，内部使用双向链表结构，适合频繁插入和删除操作。

特点：

双向链表：每个元素包含对前后元素的引用。

插入和删除高效：在任意位置插入或删除元素的时间复杂度为O(1)。

随机访问慢：通过索引访问元素需要遍历链表，时间复杂度为O(n)。

使用场景：

需要频繁在列表中间插入或删除元素。

作为队列或双端队列使用。

3.3 HashSet

HashSet是Set接口的一个实现，基于哈希表，保证元素唯一但不保证顺序。

特点：

哈希表：内部使用哈希表存储元素，保证查找、插入和删除的时间复杂度为O(1)。

不保证顺序：元素的顺序不固定。

允许null元素：可以存储一个null元素。

使用场景：

需要存储不重复的元素，并且不关心顺序。

快速查找元素是否存在。

3.4 TreeSet

TreeSet是Set接口的一个实现，基于红黑树，保证元素有序。

特点：

红黑树：内部使用红黑树存储元素，保证元素有序，插入、删除和查找的时间复杂度为O(log n)。

有序：元素按照自然顺序或指定的比较器顺序排列。

不允许null元素：尝试添加null元素会抛出NullPointerException。

使用场景：

需要存储不重复且有序的元素。

需要范围查询或排序操作。

3.5 HashMap

HashMap是Map接口的一个实现，基于哈希表，存储键值对，键唯一。

特点：

哈希表：内部使用哈希表存储键值对，保证查找、插入和删除的时间复杂度为O(1)。

不保证顺序：键值对的顺序不固定。

允许null键和null值：可以存储一个null键和多个null值。

使用场景：

需要根据键快速查找对应的值。

不关心键值对的顺序。

3.6 TreeMap

TreeMap是Map接口的一个实现，基于红黑树，存储键值对，键有序。

特点：

红黑树：内部使用红黑树存储键值对，保证键有序，插入、删除和查找的时间复杂度为O(log n)。

有序：键按照自然顺序或指定的比较器顺序排列。

不允许null键：尝试添加null键会抛出NullPointerException，但允许null值。

使用场景：

需要存储键值对且键有序。

需要范围查询或排序操作。

4. 集合的泛型

*泛型（Generics）**允许在集合中指定元素的类型，确保类型安全，避免运行时的类型转换错误。

语法：

示例：

优点：

类型安全：在编译时检查类型，避免类型转换错误。

消除强制类型转换：无需在取出元素时进行类型转换。

代码更清晰：明确集合中存储的元素类型。

通配符：

?：表示未知类型。

? extends Type：表示Type及其子类。

? super Type：表示Type及其父类。

示例：

5. 集合的迭代与遍历

遍历集合是操作集合中的元素的常见方式。Java提供了多种遍历集合的方法。

5.1 Iterator迭代器

Iterator是集合框架提供的一种通用的遍历方式，适用于所有实现了Collection接口的集合。

使用方法：

示例：

注意事项：

使用Iterator的remove()方法可以在遍历过程中删除元素，避免ConcurrentModificationException。

在遍历时不应修改集合（如添加或删除元素），否则可能导致ConcurrentModificationException。

5.2 增强for循环

增强for循环（也称为for-each循环）是遍历集合的简洁方式，适用于所有实现了Iterable接口的集合。

语法：

示例：

优点：

代码简洁，易读性高。

不需要显式使用迭代器。

缺点：

无法在遍历过程中删除元素。

无法获取当前元素的索引。

5.3 Java 8 Streams API

Java 8引入的Streams API提供了声明性的方法来处理集合中的元素，支持并行操作和函数式编程风格。

使用方法：

示例：

优点：

支持链式操作，代码简洁。

内置并行处理，提升性能。

支持复杂的数据处理，如过滤、映射、聚合等。

注意事项：

Streams是一次性的，遍历后不能重用。

操作中不应修改源集合，避免副作用。

6. 集合的线程安全

在多线程环境下，集合的线程安全性是一个重要考虑因素。Java提供了多种方式来确保集合的线程安全。

6.1 同步集合

通过同步包装器将非线程安全的集合包装成线程安全的集合。

使用方法：

示例：

注意事项：

同步集合的每个方法都是同步的，但复合操作（如遍历）仍需手动同步。

手动同步示例：

6.2 并发集合

Java提供了专为并发设计的集合类，具备更高的性能和更细粒度的同步机制。

常用的并发集合：

ConcurrentHashMap：线程安全的哈希映射，支持高并发的读写操作。

CopyOnWriteArrayList：线程安全的动态数组，适用于读多写少的场景。

BlockingQueue及其实现类（如LinkedBlockingQueue、PriorityBlockingQueue）：支持阻塞操作的队列，适用于生产者-消费者模型。

示例：

优点：

更高的并发性能，适合多线程环境。

内部采用更细粒度的锁或无锁算法，减少锁竞争。

使用场景：

高并发的读写操作，如Web服务器中的请求处理。

需要阻塞操作的队列，如任务调度和线程池。

7. 集合的常用方法

Java集合框架提供了丰富的方法用于操作集合中的元素。以下是一些常用的方法：

Collection接口常用方法

添加元素：

boolean add(E e)：添加一个元素。
boolean addAll(Collection<? extends E> c)：添加一个集合中的所有元素。

删除元素：

boolean remove(Object o)：移除一个指定元素。
boolean removeAll(Collection<?> c)：移除集合中包含的所有元素。
boolean retainAll(Collection<?> c)：保留集合中包含的所有元素，移除不包含的元素。

查询元素：

boolean contains(Object o)：判断是否包含指定元素。
boolean containsAll(Collection<?> c)：判断是否包含指定集合中的所有元素。

集合大小：

int size()：返回集合中的元素数量。
boolean isEmpty()：判断集合是否为空。

清空集合：

void clear()：移除集合中的所有元素。

转换为数组：

Object[] toArray()：将集合转换为一个数组。
<T> T[] toArray(T[] a)：将集合转换为指定类型的数组。

List接口常用方法

按索引操作：

E get(int index)：获取指定索引的元素。
E set(int index, E element)：设置指定索引的元素。
void add(int index, E element)：在指定索引处添加元素。
E remove(int index)：移除指定索引的元素。

搜索：

int indexOf(Object o)：返回元素首次出现的索引。
int lastIndexOf(Object o)：返回元素最后一次出现的索引。

子列表：

List<E> subList(int fromIndex, int toIndex)：返回列表的一个子视图。

Set接口常用方法

无序或有序：根据具体实现类，Set可能是无序的（如HashSet）或有序的（如TreeSet）。

Map接口常用方法

添加键值对：

V put(K key, V value)：添加或更新一个键值对。
void putAll(Map<? extends K, ? extends V> m)：添加一个映射中的所有键值对。

删除键值对：

V remove(Object key)：移除指定键的键值对。
void clear()：移除所有键值对。

查询键值对：

V get(Object key)：根据键获取对应的值。
boolean containsKey(Object key)：判断是否包含指定键。
boolean containsValue(Object value)：判断是否包含指定值。

键和值的集合视图：

Set<K> keySet()：返回所有键的集合视图。
Collection<V> values()：返回所有值的集合视图。
Set<Map.Entry<K, V>> entrySet()：返回所有键值对的集合视图。

8. 集合的最佳实践

为了高效和安全地使用Java集合，遵循以下最佳实践是非常重要的。

8.1 选择合适的集合类型

根据具体需求选择合适的集合类型：

快速随机访问：使用ArrayList。

频繁插入删除：使用LinkedList。

唯一性要求：使用HashSet或TreeSet。

键值对存储：使用HashMap或TreeMap。

并发操作：使用并发集合如ConcurrentHashMap。

8.2 使用泛型提高类型安全

始终使用泛型来定义集合，避免使用原始类型（如List而不是List<Object>）。

示例：

8.3 避免不必要的同步

尽量使用非同步的集合，除非确实需要线程安全。使用并发集合代替同步包装器，提升性能。

8.4 使用接口类型定义变量

使用接口类型（如List、Set）来定义集合变量，增加代码的灵活性。

示例：

8.5 优化集合的初始容量

根据预期的元素数量，合理设置集合的初始容量，减少扩容操作，提高性能。

示例：

8.6 使用不可变集合

在需要确保集合不被修改的场景，使用不可变集合，增强代码的安全性。

Java 9及以上：

8.7 避免在集合中存储null

尽量避免在集合中存储null，尤其是在键值对集合中，以防止NullPointerException和逻辑错误。

8.8 使用Stream API进行复杂操作

利用Java 8的Streams API进行过滤、映射、排序等复杂操作，提升代码的简洁性和可读性。

示例：

9. 示例代码

以下示例展示了集合框架的各个方面，包括添加、删除、遍历、使用泛型和并发集合。

输出示例：

解释：

List示例：展示了ArrayList允许重复元素。

Set示例：展示了HashSet不允许重复元素。

Map示例：展示了HashMap根据键更新值。

遍历：使用增强for循环、Iterator和Streams API遍历集合。

并发集合：使用ConcurrentHashMap在多线程环境下安全地修改集合。

10. 总结

Java集合框架是Java编程中不可或缺的一部分，提供了多种数据结构和算法，满足不同的存储和操作需求。通过理解集合的基本概念、接口层次结构、常用集合类及其特性，开发者可以高效地选择和使用合适的集合类型。此外，掌握集合的泛型、迭代遍历、线程安全和最佳实践，有助于编写高效、健壮和可维护的代码。随着Java 8及其后续版本引入的Streams API和并发集合，Java集合框架的功能和性能得到了进一步的提升，使得数据处理更加简洁和高效。

作者:Maple
链接:https://mapleleaf.space/Coding/Java/Collection
声明:本文采用 CC BY-NC-SA 4.0 许可协议，转载请注明出处。

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