【Java入门指南 Day12：Java集合框架】

一、集合框架整体设计

Java集合框架像一个精心设计的工具箱，为不同的数据存储需求提供了专门的工具。

主要接口体系

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// Collection接口体系
Collection
├── List（有序、可重复）
│   ├── ArrayList  // 动态数组实现
│   ├── LinkedList // 双向链表实现
│   └── Vector     // 线程安全的动态数组（已过时）
├── Set（无序、不可重复）
│   ├── HashSet    // 基于HashMap实现
│   ├── TreeSet    // 基于TreeMap实现
│   └── LinkedHashSet // 维护插入顺序
└── Queue（队列）
    ├── PriorityQueue // 优先队列
    └── Deque        // 双端队列

// Map接口体系（键值对映射）
Map
├── HashMap     // 哈希表实现
├── TreeMap     // 红黑树实现
└── LinkedHashMap // 维护插入顺序

二、ArrayList与LinkedList详解

ArrayList工作原理

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public class ArrayList<E> {
    // 底层使用数组存储
    private Object[] elementData;
    private int size;
    
    // 动态扩容机制
    public boolean add(E e) {
        ensureCapacityInternal(size + 1);
        elementData[size++] = e;
        return true;
    }
    
    // 扩容实现
    private void grow(int minCapacity) {
        int oldCapacity = elementData.length;
        int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1); // 扩容1.5倍
        elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
    }
}

LinkedList工作原理

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public class LinkedList<E> {
    // 节点定义
    private static class Node<E> {
        E item;
        Node<E> next;
        Node<E> prev;
    }
    
    // 头尾节点
    transient Node<E> first;
    transient Node<E> last;
    
    // 添加元素
    public boolean add(E e) {
        final Node<E> l = last;
        final Node<E> newNode = new Node<>(l, e, null);
        last = newNode;
        if (l == null)
            first = newNode;
        else
            l.next = newNode;
        size++;
        return true;
    }
}

性能对比

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public class ListPerformanceTest {
    public static void main(String[] args) {
        List<Integer> arrayList = new ArrayList<>();
        List<Integer> linkedList = new LinkedList<>();
        
        // 添加性能对比
        long startTime = System.nanoTime();
        for (int i = 0; i < 100000; i++) {
            arrayList.add(i);
        }
        System.out.println("ArrayList添加用时：" + (System.nanoTime() - startTime));
        
        startTime = System.nanoTime();
        for (int i = 0; i < 100000; i++) {
            linkedList.add(i);
        }
        System.out.println("LinkedList添加用时：" + (System.nanoTime() - startTime));
        
        // 随机访问性能对比
        startTime = System.nanoTime();
        for (int i = 0; i < 10000; i++) {
            arrayList.get(i);
        }
        System.out.println("ArrayList访问用时：" + (System.nanoTime() - startTime));
        
        startTime = System.nanoTime();
        for (int i = 0; i < 10000; i++) {
            linkedList.get(i);
        }
        System.out.println("LinkedList访问用时：" + (System.nanoTime() - startTime));
    }
}

三、HashMap实现原理

基本结构

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public class HashMap<K,V> {
    // Node节点定义
    static class Node<K,V> {
        final int hash;
        final K key;
        V value;
        Node<K,V> next;
    }
    
    // 哈希桶数组
    transient Node<K,V>[] table;
    
    // 键值对数量
    transient int size;
    
    // 扩容阈值
    int threshold;
    
    // 负载因子
    final float loadFactor;
}

工作原理

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// 1. 计算key的哈希值
int hash = Objects.hashCode(key);

// 2. 定位桶位置
int index = (table.length - 1) & hash;

// 3. 处理哈希冲突
if (table[index] != null) {
    // 链表形式存储
    // 当链表长度超过8时，转换为红黑树
}

// 4. 自动扩容
if (size > threshold) {
    resize();
}

四、TreeMap的红黑树结构

基本特性

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public class TreeMapDemo {
    public static void main(String[] args) {
        TreeMap<Integer, String> map = new TreeMap<>();
        
        // 自动排序
        map.put(3, "Three");
        map.put(1, "One");
        map.put(2, "Two");
        
        // 输出是有序的
        System.out.println(map);  // {1=One, 2=Two, 3=Three}
        
        // 范围操作
        System.out.println(map.firstKey());  // 1
        System.out.println(map.lastKey());   // 3
        System.out.println(map.subMap(1, 3));  // {1=One, 2=Two}
    }
}

五、并发集合类

ConcurrentHashMap

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public class ConcurrentMapExample {
    public static void main(String[] args) {
        ConcurrentHashMap<String, Integer> map = new ConcurrentHashMap<>();
        
        // 线程安全的操作
        map.put("count", 0);
        
        // 原子操作
        map.computeIfPresent("count", (k, v) -> v + 1);
        
        // 批量操作
        map.forEach(1, (k, v) -> 
            System.out.println(k + "=" + v));
    }
}

CopyOnWriteArrayList

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public class CopyOnWriteExample {
    public static void main(String[] args) {
        CopyOnWriteArrayList<String> list = new CopyOnWriteArrayList<>();
        
        // 写时复制，适合读多写少的场景
        list.add("A");
        
        // 迭代时可以修改列表
        for (String item : list) {
            list.add("B");  // 不会抛出ConcurrentModificationException
        }
    }
}

最佳实践建议 💡

集合选择
- 频繁随机访问用ArrayList
- 频繁插入删除用LinkedList
- 需要排序用TreeMap/TreeSet
- 并发场景使用并发集合类
安全性
- 使用不可变集合
- 注意线程安全
- 防止内存泄漏

常见陷阱提醒 ⚠️

并发修改

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// 错误：遍历时修改集合
for (String item : list) {
    list.remove(item);  // ConcurrentModificationException
}

// 正确：使用迭代器
Iterator<String> it = list.iterator();
while (it.hasNext()) {
    String item = it.next();
    it.remove();
}

性能陷阱

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// 不好的实践：频繁扩容
ArrayList<Integer> list = new ArrayList<>();
for (int i = 0; i < 10000000; i++) {
    list.add(i);
}

// 好的实践：指定初始容量
ArrayList<Integer> list = new ArrayList<>(10000000);
for (int i = 0; i < 10000000; i++) {
    list.add(i);
}

内存泄漏

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// 可能导致内存泄漏
class Cache {
    private Map<String, Object> map = new HashMap<>();
    
    public void add(String key, Object value) {
        map.put(key, value);
    }
    // 忘记实现删除方法
}

Java集合框架是日常编程中最常用的工具之一。理解每种集合的特点和适用场景，能够帮助我们写出更高效的代码。