Java学习进阶--集合体系结构

Java 集合框架 (java.util 包) 是 Java 中用于存储和操作数据集合的核心组件，其设计精良、功能强大且高度灵活。理解其体系结构是 Java 进阶的关键一步。

一.集合的核心思想

接口与实现分离

集合框架的核心在于接口定义了行为规范，而具体实现类 提供了不同的底层数据结构和算法。应用程序应该面向0接口编程，这样可以在不改变代码逻辑的情况下更换实现，提高灵活性和可维护性。

集合框架的总体结构

Java 集合框架主要分为两大分支：Collection 和 Map。

Collection 接口 ：是单列集合的根接口，用于存储单个元素。它有三个主要的子接口：List、Set 和 Queue。
Map 接口：是双列集合的根接口，用于存储键值对。

二.Collection接口 --单列集合

Collection是单列集合的祖宗接口，它的功能是全部的单列集合都可以继承使用的，下图是Collection接口下的继承和实现关系。

**List系列集合：**添加的元素是有序，可重复，有索引

**Set系列集合：**添加的元素是无序，不重复，无索引

Collection中的方法：

1. 基本操作方法

方法	描述	返回值	示例
`boolean add(E e)`	添加元素	成功返回 true	`list.add("Java")`
`boolean remove(Object o)`	删除指定元素	存在并删除返回 true	`set.remove("Python")`
`int size()`	返回元素数量	集合大小	`queue.size()`
`boolean isEmpty()`	检查是否为空	空集合返回 true	`if (coll.isEmpty())`
`void clear()`	清空集合	无	`list.clear()`

2. 批量操作方法

方法	描述	示例
`boolean addAll(Collection<? extends E> c)`	添加另一个集合的所有元素	`list1.addAll(list2)`
`boolean removeAll(Collection<?> c)`	删除指定集合中存在的所有元素	`set.removeAll(subset)`
`boolean retainAll(Collection<?> c)`	仅保留指定集合中的元素（求交集）	`list.retainAll(subList)`
`boolean containsAll(Collection<?> c)`	检查是否包含指定集合的所有元素	`if (set.containsAll(subset))`

3. 查询方法

方法	描述	示例
`boolean contains(Object o)`	检查是否包含指定元素	`if (list.contains("Java"))`
`Object[] toArray()`	将集合转为数组	`Object[] arr = coll.toArray()`
`<T> T[] toArray(T[] a)`	将集合转为指定类型数组	`String[] arr = list.toArray(new String[0])`

4. 迭代方法

方法	描述	示例
`Iterator<E> iterator()`	返回迭代器	`Iterator<String> it = coll.iterator()`
`default void forEach(Consumer<? super T> action)`	使用函数式接口遍历	`list.forEach(System.out::println)`

5. Java 8 新增默认方法

方法	描述	示例
`default boolean removeIf(Predicate<? super E> filter)`	删除满足条件的元素	`list.removeIf(s -> s.length() < 3)`
`default Spliterator<E> spliterator()`	返回可分割迭代器	`Spliterator<String> sp = coll.spliterator()`
`default Stream<E> stream()`	返回顺序流	`coll.stream().filter(...)`
`default Stream<E> parallelStream()`	返回并行流	`coll.parallelStream().`

java 复制代码

import java.util.*;

public class CollectionDemo {
    public static void main(String[] args) {
        // 1. 创建集合 (使用ArrayList实现)
        Collection<String> languages = new ArrayList<>();
        
        // 2. 添加元素
        languages.add("Java");
        languages.add("Python");
        languages.add("JavaScript");
        languages.add("C++");
        System.out.println("初始集合: " + languages); // [Java, Python, JavaScript, C++]
        
        // 3. 检查元素是否存在
        System.out.println("包含Java? " + languages.contains("Java")); // true
        
        // 4. 删除元素
        languages.remove("C++");
        System.out.println("删除C++后: " + languages); // [Java, Python, JavaScript]
        
        // 5. 批量操作 - 添加另一个集合
        Collection<String> frontend = new HashSet<>();
        frontend.add("HTML");
        frontend.add("CSS");
        frontend.add("JavaScript");
        
        languages.addAll(frontend);
        System.out.println("添加前端技术后: " + languages); 
        // [Java, Python, JavaScript, HTML, CSS]
        
        // 6. 批量操作 - 删除另一个集合中的元素
        languages.removeAll(frontend);
        System.out.println("移除前端技术后: " + languages); // [Java, Python]
        
        // 7. 批量操作 - 保留交集
        Collection<String> popular = List.of("Java", "Python", "Go");
        languages.retainAll(popular);
        System.out.println("保留流行语言后: " + languages); // [Java, Python]
        
        // 8. 转换为数组
        Object[] array = languages.toArray();
        System.out.println("数组内容: " + Arrays.toString(array)); // [Java, Python]
        
        // 9. 遍历集合 - 迭代器
        System.out.print("迭代器遍历: ");
        Iterator<String> it = languages.iterator();
        while (it.hasNext()) {
            System.out.print(it.next() + " ");
        }
        System.out.println(); // 迭代器遍历: Java Python 
        
        // 10. 遍历集合 - forEach (Java 8+)
        System.out.print("forEach遍历: ");
        languages.forEach(lang -> System.out.print(lang + " "));
        System.out.println(); // forEach遍历: Java Python 
        
        // 11. Java 8 新特性 - removeIf
        languages.removeIf(lang -> lang.startsWith("P"));
        System.out.println("移除P开头的语言后: " + languages); // [Java]
        
        // 12. Java 8 新特性 - stream
        long count = languages.stream().filter(lang -> lang.length() > 3).count();
        System.out.println("长度大于3的元素数量: " + count); // 1 (Java)
        
        // 13. 清空集合
        languages.clear();
        System.out.println("清空后集合: " + languages); // []
        System.out.println("集合是否为空? " + languages.isEmpty()); // true
    }
}

三.Map 接口 --双列集合

1. "双列集合"的含义

"双列"： 指的是 Map 存储的元素由两个部分组成：

键 (Key): 用于唯一标识元素的部分，相当于第一列。
值 (Value): 与键相关联的数据部分，相当于第二列。

"集合"： 指的是 Map 本身是一个容器，用于存储和管理这些键值对 (Key-Value Pair) 元素。

2. Map 接口的核心概念

键值对 (Key-Value Pair)： 这是 Map 存储的基本单位。每个元素都是一个包含 Key 和 Value 的配对。

键 (Key) 的唯一性： Map 中 不允许有重复的键 。每个键最多只能映射到一个值。这是 Map 最重要的特性之一。

值 (Value) 的可重复性： 不同的键可以映射到相同的值。值可以重复。

映射关系 (Mapping)： Map 的核心功能就是建立 Key 到 Value 的映射关系。通过一个 Key，可以高效地查找到其对应的 Value。这就像一本字典（Dictionary）或电话簿，通过名字（Key）查找电话号码（Value）。

无序性 (通常)： 大多数 Map 实现类（如 HashMap）不保证 键值对的存储顺序（插入顺序或自然顺序）。但也有保证顺序的实现（如 LinkedHashMap 保证插入顺序，TreeMap 保证按键排序）。

不允许 null (视实现而定)：

HashMap、LinkedHashMap 允许一个 null 键和多个 null 值。
TreeMap 不允许 null 键（因为要排序），值可以为 null。
ConcurrentHashMap 不允许 null 键和 null 值。
Hashtable 不允许 null 键和 null 值。

3. 为什么需要 Map？解决了什么问题？

Map 解决了需要根据 唯一标识符 快速查找、添加、删除或更新 关联数据 的场景。例如：

字典/电话簿： 根据单词查释义，根据姓名查电话。
数据库记录缓存： 用主键 ID 作为 Key，缓存整个记录对象作为 Value。
配置信息： 配置项名称作为 Key，配置值作为 Value。
对象属性映射： 属性名作为 Key，属性值作为 Value。
计数/统计： 用物品名称作为 Key，物品数量作为 Value。
图结构： 表示节点之间的连接关系（邻接表）。

实现类	描述	键有序性	允许 `null` 键/值	底层实现
`HashMap`	最常用。基于哈希表实现，提供最快的查找速度（平均 O(1)）。	不保证 (通常无序)	1个 `null`键, 多个 `null`值	数组 + 链表 / 红黑树 (JDK8+)
`LinkedHashMap`	继承 `HashMap`。额外维护一个双向链表，保证迭代顺序 == 插入顺序。	保证插入顺序	1个 `null`键, 多个 `null`值	哈希表 + 双向链表
`TreeMap`	基于红黑树 (Red-Black Tree) 实现。保证键值对按键的自然顺序或定制顺序排序。	保证键的排序顺序	键不能 `null`, 值可以	红黑树
`Hashtable`	古老的线程安全实现 (JDK 1.0)。不推荐使用，优先选 `ConcurrentHashMap`。	不保证	键和值都不能 `null`	哈希表
`ConcurrentHashMap`	现代高效的线程安全实现 (JDK 5+)。支持高并发读写。	不保证	键和值都不能 `null`	分段锁 / CAS (JDK8+)
`Properties`	继承 `Hashtable`。专门处理属性配置文件 (`key=value` 格式如 `.properties`)。	通常按文件加载顺序	键和值都不能 `null`	哈希表

4. Map 接口的常用方法

增 / 改：

V put(K key, V value): 添加键值对。如果键已存在，则替换旧值并返回旧值 ；如果键不存在，添加并返回 null。
void putAll(Map<? extends K, ? extends V> m): 将另一个 Map 的所有键值对添加到当前 Map。

删：

V remove(Object key): 根据键删除键值对，返回被删除的值 。键不存在返回 null。
void clear(): 清空所有键值对。

查：

V get(Object key): 根据键获取对应的值。键不存在返回 null。
boolean containsKey(Object key): 判断是否包含指定的键。
boolean containsValue(Object value): 判断是否包含指定的值（效率通常低于 containsKey）。

视图获取：

Set<K> keySet(): 返回此 Map 中所有键组成的 Set 集合（因为键唯一）。
Collection<V> values(): 返回此 Map 中所有值组成的 Collection 集合（值可以重复）。
Set<Map.Entry<K, V>> entrySet(): 返回此 Map 中所有键值对 (Map.Entry 对象) 组成的 Set 集合 。这是遍历 Map 最常用的方式。

其他：

int size(): 返回键值对的数量。
boolean isEmpty(): 判断 Map 是否为空。
default V getOrDefault(Object key, V defaultValue): (JDK8+) 获取指定键的值，如果键不存在则返回默认值。
default V putIfAbsent(K key, V value): (JDK8+) 如果指定键尚未与值关联（或关联为 null），则将其与给定值关联并返回 null，否则返回当前值。
default boolean remove(Object key, Object value): (JDK8+) 仅当指定键当前映射到指定值时删除该条目。
default V replace(K key, V value): (JDK8+) 仅当指定键当前映射到某个值时，才替换该条目的值。
default boolean replace(K key, V oldValue, V newValue): (JDK8+) 仅当指定键当前映射到指定值时，才替换该条目的值。