Java 集合框架 - 技术栈

Java集合框架

Java 集合框架是提供了一套设计优良、易于使用和扩展的接口和类，用于存储和操作一组对象。集合框架位于java.util包中，它提供了丰富的功能来处理数据集合，包括列表( List )、集合( Set )、队列( Queue )、映射( Map )等。

Collection：这是集合层次结构中的根接口。它包含了用于添加、移除和搜索元素的方法。
List：继承自 Collection 接口，是一个有序的集合，允许包含重复元素。支持通过索引来访问元素。
- 实现类包括 ArrayList 、 LinkedList 、 Vector 等。
Set：也是一个继承自 Collection 接口的集合类型，但不允许包含重复元素。
- 常见实现类有 HashSet 、 LinkedHashSet 和 TreeSet 。
Queue：通常用于实现 FIFO （先进先出）的数据结构，但也有其他变种如优先队列。
- 优先级队列 PriorityQueue 是一个典型的实现。
Map：不是 Collection 接口的子接口，它存储键值对。Map 不能包含重复的键；每个键最多只能映射到一个值。
- 常见实现类有 HashMap 、 LinkedHashMap 和 TreeMap 。

Collection接口

Collection接口关系：

List接口实现类介绍

List 表示一个有序的、允许重复元素的集合，并且可以通过索引（位置）来访问和操作其中的元素。

常用方法：

add(E element)：在列表末尾添加一个元素。
add(int index, E element)：在指定索引处插入一个元素。
get(int index)：返回指定索引处的元素。
set(int index, E element)：替换指定索引处的元素。
remove(int index)：删除指定索引处的元素。
size()：返回列表中的元素个数。
indexOf(Object o)：返回指定元素首次出现的索引，不存在则返回 -1。
lastIndexOf(Object o)：返回指定元素最后一次出现的索引。
subList(int fromIndex, int toIndex)：返回从 fromIndex 到 toIndex 的子列表。

List接口的常见实现类：

ArrayList：基于动态数组实现。更多阅读：ArrayList源码分析。
LinkedList：基于双向链表实现。更多阅读：LinkedList源码分析。
ArrayList与 LinkedList对比如下：

特性/类别	ArrayList	LinkedList
数据结构	动态数组	双向链表
随机访问性能	快（O(1)）	慢（O(n)，需遍历查找）
插入/删除头部	慢（O(n)，需移动元素）	快（O(1)，只需修改头节点指针）
插入/删除尾部	快（O(1)，如果无需扩容）	快（O(1)，只需修改尾节点指针）
插入/删除中间	慢（O(n)，需移动元素）	较快（O(n)，但不涉及元素移动，仅修改指针）
内存占用	因为是连续存储，所以内存使用较为紧凑	需要额外的空间存储指向前后的引用，内存开销较大
线程安全性	不是线程安全	不是线程安全
实现接口	`List`, `RandomAccess`	`List`, `Deque`
适用场景	高效的随机访问，较少的插入和删除操作	高效的插入和删除操作，尤其是列表两端

Vector（旧类，不建议使用 ）：类似于 ArrayList ，但它是一个同步（线程安全）的集合，它的所有的方法都被隐式地同步了（所有方法 synchronized ），这使得 Vector 可以在多线程环境中安全使用。然而，由于同步带来的额外开销，使用这个类可能会导致性能下降。通常推荐在单线程环境下使用 ArrayList ；在多线程并发场景下，使用Collections.synchronizedList(new ArrayList<>());来创建一个线程安全的列表，或者直接使用并发集合如 CopyOnWriteArrayList 。
Stack（旧类，不建议使用 ）：扩展了 Vector ，并实现了后进先出（LIFO, Last In First Out）的数据结构，也是一个同步（线程安全）的集合。它主要用于栈操作。与 Vector 有同样的性能问题。官方文档推荐使用 Deque 接口（双端队列）的实现类，如 ArrayDeque 或 LinkedList 代替。

Set接口实现类介绍

Set 集合不允许包含重复的元素（判断两个元素是否相同：根据元素的 equals() 方法判断）；Set 不能像 List 一样可以通过整数索引来访问元素； Set 不保证元素的顺序，除非使用了特定类型的 Set 实现。

Set接口常用方法：

Set 接口本身提供的方法不多，但因为它继承自 Collection ，所以它可以使用 Collection接口中定义的所有方法，例如：

add(E e)：如果Set中尚未包含指定的元素，则将其添加到此集合中。
remove(Object o)：从此集合中移除指定元素（如果存在）。
contains(Object o)：如果此集合包含指定的元素，则返回true。
size()：返回此集合中的元素数量。
clear()：移除此集合中的所有元素。
iterator()：返回在此集合中的元素上进行迭代的迭代器。

Set接口的常见实现类：

HashSet
- 最常用的 Set 实现之一。
- 不保证元素的顺序，且允许 null 值。
- 通过哈希表 实现，提供了 O(1) 时间性能的基本操作（如添加、删除和查询）。
LinkedHashSet
- 继承自 HashSet ，但是通过维护一个双向链表来记住元素插入的顺序。
- 提供了与 HashSet 相同的操作效率，并额外支持按插入顺序遍历集合。
TreeSet
- 基于红黑树的数据结构，能够对元素进行排序。
- 元素必须实现 Comparable 接口，或者在创建 TreeSet 时提供一个 Comparator ，以决定元素的排序方式。
- 支持自然排序或定制排序。
EnumSet
- 特别为枚举类型设计的高效实现：通过一个位向量（ bit vector ）来高效地存储和操作枚举类型的元素。
- 必须由同一个枚举类型的所有元素组成。
- 提供了非常快速的操作性能。

Queue接口实现类介绍

Queue 是专门用于表示队列的数据结构，队列通常遵循**先进先出（ FIFO, First-In-First-Out ）**原则，即最早加入队列的元素将首先被移除。不过，也有例外情况，比如优先级队列，它根据元素的优先级来决定服务顺序。

此外，Java还提供了 Deque （双端队列）接口，允许从两端进行插入和删除操作，适用于栈、队列以及其他需要双向访问的数据结构。

Queue接口常用方法：

add(E e) / offer(E e)：向队列尾部添加一个元素。 add() 方法在插入失败时抛出异常，而 offer() 返回一个布尔值。
remove() / poll()：从队列头部移除并返回一个元素。remove() 在队列为空时抛出异常，而poll()则返回null。
element() / peek()：获取但不移除队列头部的元素。 element() 方法在队列为空时抛出异常，而 peek() 返回 null 。

Queue接口的常见实现类：

LinkedList：实现了 Queue 接口，并且可以作为双端队列使用。它允许在两端进行高效的插入和删除操作。
PriorityQueue：基于堆的数据结构，按照元素的自然顺序或通过提供的 Comparator 来进行排序。因此，它并不严格遵守FIFO原则，而是根据优先级来确定哪个元素最先出队。

Map接口

Map 接口是集合框架的一部分，但它并不继承自 Collection 接口。 Map 用于存储键值对（ key-value pairs ），其中每个键都是唯一的，而值可以重复。通过键可以在 Map 中高效地查找、更新或删除对应的值。

Map接口和类关系：

Map接口常用方法：

基本操作：
- put(K key, V value)：将指定的键值对插入到 Map 中。
- get(Object key)：根据键返回对应的值。
- remove(Object key)：根据键移除键值对。
- clear()：移除 Map 中的所有映射关系。
- isEmpty()：检查 Map 是否为空。
- size()：返回 Map 中键值对的数量。
查询操作：
- containsKey(Object key)：判断 Map 是否包含指定的键。
- containsValue(Object value)：判断 Map 是否包含指定的值。
- keySet()：返回 Map 中所有键的集合视图。
- values()：返回 Map 中所有值的集合视图。
- entrySet()：返回 Map 中所有键值对的集合视图。

Map接口的常见实现类：

HashMap
- 最常用的实现之一，基于哈希表实现。
- 允许 null 键和 null 值。
- 不保证顺序。
LinkedHashMap
- 继承自 HashMap ，但通过维护双向链表来记住元素的插入顺序。
- 可以基于访问顺序进行排序（适合实现LRU缓存）。
TreeMap
- 基于红黑树 数据结构，按键的自然顺序或自定义的 Comparator 进行排序。
- 不允许 null 键。
Hashtable（旧类，不推荐使用）
- 类似于 HashMap ，但是是同步的（线程安全），性能较差。
- 不允许 null 键和 null 值。
- 替代类：ConcurrentHashMap，专门设计用于高并发环境的线程安全HashMap实现，通过分段锁（在 Java 8 前）或数组 + 链表/红黑树（在 Java 8 及以后使用 synchronized 和 CAS ）实现高效的并发访问，允许多个线程同时读写而不会导致数据竞争，从而提供高并发场景下的线程安全和性能优化。
EnumMap
- 专门用于键为枚举类型的情况（要求所有键必须来自同一个枚举类型），针对枚举类型的键进行了特别优化，提供了更高效的存储和访问速度。