【JAVA安全】Java 集合体系详解

Java 集合体系详解

Java 集合框架(Java Collections Framework)是Java中用于存储和操作数据集合的一组接口和类。它提供了一套标准化的方法来处理对象集合，使得开发者可以专注于业务逻辑而不是数据结构的实现。

一、集合框架概述

Java集合框架主要由以下几个部分组成：

接口(Interfaces): 定义集合的基本操作
实现类(Implementations): 接口的具体实现
算法(Algorithms): 提供搜索、排序等通用操作

二、核心接口层次结构

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Iterable (接口)
└── Collection (接口)
    ├── List (接口)
    ├── Set (接口)
    │    └── SortedSet (接口)
     └── Queue (接口)
         └── Deque (接口)
 
Map (接口)
└── SortedMap (接口)

三、主要集合接口详解

Collection 接口

所有集合类的根接口，定义了集合的基本操作：

java 复制代码

public interface Collection<E> extends Iterable<E> {
    int size();
    boolean isEmpty();
    boolean contains(Object o);
    Iterator<E> iterator();
    Object[] toArray();
    <T> T[] toArray(T[] a);
    boolean add(E e);
    boolean remove(Object o);
    boolean containsAll(Collection<?> c);
    boolean addAll(Collection<? extends E> c);
    boolean removeAll(Collection<?> c);
    boolean retainAll(Collection<?> c);
    void clear();
    // Java 8 新增的默认方法 
    default boolean removeIf(Predicate<? super E> filter) { ... }
    default Spliterator<E> spliterator() { ... }
    default Stream<E> stream() { ... }
    default Stream<E> parallelStream() { ... }
}

List 接口

有序集合(序列)，允许重复元素：

精确控制每个元素的插入位置
可以通过索引访问元素
可以搜索元素

主要实现类：

ArrayList: 基于动态数组
LinkedList: 基于双向链表
Vector: 线程安全的动态数组(已过时)
Stack: 后进先出(LIFO)堆栈(继承自Vector)

Set 接口

不允许重复元素的集合：

不保证顺序(除非是SortedSet)
最多包含一个null元素

主要实现类：

HashSet: 基于哈希表
LinkedHashSet: 保持插入顺序的HashSet
TreeSet: 基于红黑树的SortedSet实现

Queue 接口

用于在处理前保存元素的集合：

通常但不一定按FIFO(先进先出)原则排序
优先级队列按提供的比较器或元素的自然顺序排序

主要实现类：

PriorityQueue: 优先级队列
ArrayDeque: 基于数组的双端队列
LinkedList: 也实现了Deque接口

Map 接口

键值对映射，不继承Collection接口：

键唯一，值可以重复
每个键最多映射到一个值

主要实现类：

HashMap: 基于哈希表
LinkedHashMap: 保持插入顺序的HashMap
TreeMap: 基于红黑树的SortedMap实现
Hashtable: 线程安全的Map实现(已过时)
ConcurrentHashMap: 线程安全的HashMap替代

四、主要集合实现类比较

List实现类比较

特性	ArrayList	LinkedList	Vector
底层结构	动态数组	双向链表	动态数组
线程安全	不安全	不安全	安全
随机访问	O(1)	O(n)	O(1)
插入/删除(首尾)	O(n)	O(1)	O(n)
内存占用	较小	较大	较大

Set实现类比较

特性	HashSet	LinkedHashSet	TreeSet
底层结构	哈希表	哈希表+链表	红黑树
排序	无	插入顺序	自然/比较器顺序
操作时间复杂度	O(1)	O(1)	O(log n)
允许null	是	是	否

Map实现类比较

特性	HashMap	LinkedHashMap	TreeMap	Hashtable
底层结构	哈希表	哈希表+链表	红黑树	哈希表
排序	无	插入/访问顺序	键排序	无
线程安全	不安全	不安全	不安全	安全
允许null键/值	是/是	是/是	否/是	否/否
性能	高	较高	中等	低

五、并发集合

Java还提供了一组线程安全的集合类：

CopyOnWriteArrayList: 线程安全的List实现
CopyOnWriteArraySet: 线程安全的Set实现
ConcurrentHashMap: 线程安全的HashMap实现
ConcurrentSkipListMap: 线程安全的SortedMap实现
ConcurrentSkipListSet: 线程安全的SortedSet实现
BlockingQueue接口及其实现类(如ArrayBlockingQueue、LinkedBlockingQueue等)

六、集合工具类：Collections

java.util.Collections类提供了许多静态方法，用于操作或返回集合：

排序：sort(), shuffle()
搜索：binarySearch()
同步包装：synchronizedCollection(), synchronizedList()等
不可修改包装：unmodifiableCollection(), unmodifiableList()等
单元素集合：singleton(), singletonList(), singletonMap()
空集合：emptyList(), emptySet(), emptyMap()

七、Java 8+ 对集合的增强

Stream API: 提供函数式操作集合的能力

java 复制代码

list.stream().filter(x -> x > 5).map(String::valueOf).collect(Collectors.toList());

默认方法: 在接口中添加新方法而不破坏现有实现

java 复制代码

default void forEach(Consumer<? super T> action)
default boolean removeIf(Predicate<? super E> filter)

新的集合工厂方法 (Java 9+)

java 复制代码

List<String> list = List.of("a", "b", "c");
Set<String> set = Set.of("a", "b", "c");
Map<String, Integer> map = Map.of("a", 1, "b", 2);

八、最佳实践

根据需求选择合适的集合类型：
- 需要键值对 → Map
- 允许重复且有序 → List
- 不允许重复 → Set
- 需要排序 → TreeSet/TreeMap
- 需要保持插入顺序 → LinkedHashSet/LinkedHashMap
预估集合大小时，初始化时指定容量以避免频繁扩容
在多线程环境下使用并发集合或同步包装

优先使用接口类型声明集合变量：

java 复制代码

List<String> list = new ArrayList<>();  // 好
ArrayList<String> list = new ArrayList<>();  // 不好

使用泛型确保类型安全
遍历集合时，考虑使用迭代器或for-each循环

Java集合框架强大而灵活，理解其设计原理和各个实现类的特点，能够帮助开发者编写出更高效、更健壮的代码。