《Java高级编程：从原理到实战 - 进阶知识篇四》

一. 集合框架体系结构

1.1 核心接口层次

1.2 主要实现类对比

接口	有序	可重复	线程安全	主要实现类
List	是	是	部分	ArrayList, LinkedList, Vector, CopyOnWriteArrayList
Set	部分	否	部分	HashSet, LinkedHashSet, TreeSet, CopyOnWriteArraySet
Queue	是	是	部分	LinkedList, PriorityQueue, ArrayBlockingQueue
Map	部分	Key唯一	部分	HashMap, LinkedHashMap, TreeMap, ConcurrentHashMap

二. List 接口及实现类

2.1 ArrayList

• 特点：动态数组实现，随机访问快(O(1))，插入删除慢(O(n))

• 扩容：默认初始容量10，扩容1.5倍

• 线程安全 ：非线程安全，可用Collections.synchronizedList包装

List<String> list = new ArrayList<>();
list.add("Java");
list.get(0);  // 随机访问

2.2 LinkedList

• 特点：双向链表实现，插入删除快(O(1))，随机访问慢(O(n))

• 额外功能：实现了Deque接口，可用作队列/栈

LinkedList<String> linkedList = new LinkedList<>();
linkedList.addFirst("First");
linkedList.addLast("Last");

2.3 Vector

• 特点：线程安全的动态数组(方法同步)

• 替代方案 ：推荐使用CopyOnWriteArrayList

2.4 CopyOnWriteArrayList

• 特点：写时复制，读操作无锁，适合读多写少场景

• 缺点：写操作性能较差，内存占用大

三. Set 接口及实现类

3.1 HashSet

• 特点：基于HashMap实现，无序，允许null元素

• 性能：添加、删除、包含操作O(1)

Set<String> set = new HashSet<>();
set.add("Java");
set.contains("Java");  // true

3.2 LinkedHashSet

• 特点：维护插入顺序的HashSet

• 实现：继承HashSet，底层使用LinkedHashMap

3.3 TreeSet

• 特点：基于TreeMap实现，元素有序(自然排序或Comparator)

• 性能：添加、删除、包含操作O(log n)

Set<Integer> sortedSet = new TreeSet<>();
sortedSet.add(3);
sortedSet.add(1);  // 自动排序 [1, 3]

四. Queue/Deque 接口及实现类

4.1 PriorityQueue

• 特点：基于堆的优先级队列，元素按优先级出队

• 排序：自然排序或Comparator指定

Queue<Integer> pq = new PriorityQueue<>();
pq.offer(5);
pq.poll();  // 获取最小元素

4.2 ArrayDeque

• 特点：基于循环数组的双端队列，比LinkedList更高效

• 用途：可作为栈或队列使用

Deque<String> deque = new ArrayDeque<>();
deque.push("Java");  // 栈操作
deque.pop();

4.3 BlockingQueue (并发队列)

• 实现类：ArrayBlockingQueue, LinkedBlockingQueue

• 特点：线程安全，支持阻塞操作

五. Map 接口及实现类

5.1 HashMap

• 特点：数组+链表+红黑树(JDK8)，允许null键/值

• 扩容：默认初始容量16，负载因子0.75，扩容2倍

• 哈希冲突：链表长度>8转红黑树，<6转回链表

Map<String, Integer> map = new HashMap<>();
map.put("Java", 1);
map.get("Java");

5.2 LinkedHashMap

• 特点：维护插入顺序或访问顺序

• 实现LRU ：通过重写removeEldestEntry方法

Map<String, Integer> lruCache = new LinkedHashMap<>(16, 0.75f, true) {
    protected boolean removeEldestEntry(Map.Entry eldest) {
        return size() > 100;
    }
};

5.3 TreeMap

• 特点：基于红黑树的有序Map，按键排序

• 性能：查询、插入、删除O(log n)

5.4 ConcurrentHashMap

• 特点：线程安全，分段锁(JDK7)或CAS+synchronized(JDK8)

• 优势：高并发性能优于Hashtable

六. 工具类 Collections

6.1 常用方法

Collections.sort(list);  // 排序
Collections.reverse(list);  // 反转
Collections.synchronizedList(list);  // 线程安全包装
Collections.unmodifiableList(list);  // 不可变包装

6.2 比较器 Comparator

list.sort(Comparator.comparing(Person::getName)
                    .thenComparingInt(Person::getAge));

七. 集合使用最佳实践

1. 初始化容量：预估大小避免频繁扩容

2. 遍历选择：

   • List：普通for(ArrayList) / 迭代器(LinkedList)

   • Set/Map：迭代器或forEach

3. 线程安全选择：

   • 低竞争：Collections.synchronizedXxx

   • 高并发：ConcurrentHashMap, CopyOnWriteArrayList

4. 性能考虑：

   • 随机访问多：ArrayList

   • 插入删除多：LinkedList

   • 快速查找：HashSet/HashMap

   • 需要排序：TreeSet/TreeMap