Java Collections & Arrays 工具类

一、Collections 工具类

专门操作 Collection 体系（List、Set）和 Map 的工具类，核心功能涵盖排序、查找、填充、同步化、不可变封装等。

1. 核心功能分类 & 常用方法

功能分类	方法签名（核心）	说明
排序（List）	sort(List<T> list)	自然排序：要求元素实现 Comparable 接口，升序排列
	sort(List<T> list, Comparator<? super T> c)	定制排序：通过 Comparator 自定义排序规则
	reverse(List<?> list)	反转列表元素顺序
	shuffle(List<?> list)	随机打乱列表（洗牌），常用于随机排序
	swap(List<?> list, int i, int j)	交换列表中指定索引的两个元素
	rotate(List<?> list, int distance)	旋转列表：distance 正数右移，负数左移（如 distance=1，最后一个元素移到首位）
查找/替换	binarySearch(List<T> list, T key)	二分查找：前提是列表已排序（自然排序），找到返回索引，否则返回 -(插入点)-1
	binarySearch(List<T> list, T key, Comparator<? super T> c)	带比较器的二分查找
	max(Collection<T> coll) / min(Collection<T> coll)	找集合的最大/最小值（自然排序）
	max(Collection<T> coll, Comparator<? super T> c)	定制规则找最大/最小值
	fill(List<? super T> list, T obj)	用指定元素填充整个列表（覆盖所有元素）
	replaceAll(List<T> list, T oldVal, T newVal)	替换列表中所有旧元素为新元素
	frequency(Collection<?> c, Object o)	统计元素在集合中出现的次数
同步化包装	synchronizedList(List<T> list)	返回线程安全的 List（底层加锁，性能较低）
	synchronizedSet(Set<T> s) / synchronizedMap(Map<K,V> m)	返回线程安全的 Set/Map
不可变封装	emptyList() / emptySet() / emptyMap()	返回空的不可变集合（复用单例，节省内存）
	singletonList(T o) / singletonSet(T o) / singletonMap(K k, V v)	返回包含单个元素的不可变集合
	unmodifiableList(List<? extends T> list)	将现有集合包装为不可变集合（修改会抛 UnsupportedOperationException）
其他工具	addAll(Collection<? super T> c, T... elements)	批量添加元素到集合
	disjoint(Collection<?> c1, Collection<?> c2)	判断两个集合是否无交集（无则返回 true）
	copy(List<? super T> dest, List<? extends T> src)	复制 src 到 dest：要求 dest 容量 ≥ src 大小，否则抛 IndexOutOfBoundsException
	nCopies(int n, T o)	返回包含 n 个相同元素的不可变 List

2. 关键示例

（1）排序（自然 + 定制）

List<Integer> list = new ArrayList<>(Arrays.asList(3, 1, 2));
// 自然排序（升序）
Collections.sort(list); // [1,2,3]
// 定制排序（降序）
Collections.sort(list, (a, b) -> b - a); // [3,2,1]
// 反转
Collections.reverse(list); // [1,2,3]
// 洗牌
Collections.shuffle(list);

（2）不可变集合

// 空不可变List
List<String> emptyList = Collections.emptyList();
// 单元素不可变List
List<String> singletonList = Collections.singletonList("test");
// 包装现有List为不可变
List<String> mutableList = new ArrayList<>();
mutableList.add("a");
List<String> unmodifiableList = Collections.unmodifiableList(mutableList);
// 不可变集合修改会抛异常
// unmodifiableList.add("b"); // UnsupportedOperationException

（3）同步化集合

// 线程安全的List
List<String> syncList = Collections.synchronizedList(new ArrayList<>());
// 迭代时需手动加锁（否则可能抛ConcurrentModificationException）
synchronized (syncList) {
    for (String s : syncList) {
        System.out.println(s);
    }
}

3. 注意事项

• 不可变集合的"假不可变" ：unmodifiableXXX 仅包装原集合，若原集合修改，包装后的不可变集合会同步变化（因为是引用传递）。
• copy 方法的容量要求 ：Collections.copy(dest, src) 要求 dest.size() ≥ src.size()，而非仅容量（需提前初始化 dest 大小）。
• 同步化集合性能 ：底层通过 synchronized 加锁，性能低于 java.util.concurrent 包下的并发集合（如 CopyOnWriteArrayList）。

二、Arrays 工具类

专门操作数组（基本类型数组、对象数组）的工具类，核心功能涵盖排序、查找、填充、复制、数组转集合、比较/哈希等。

1. 核心功能分类 & 常用方法

功能分类	方法签名（核心）	说明
排序	sort(int[] a) / sort(Object[] a)	基本类型数组升序；对象数组要求元素实现 Comparable
	sort(Object[] a, Comparator<? super T> c)	对象数组定制排序（仅支持对象数组，不支持基本类型）
	parallelSort(int[] a)	并行排序：大数据量（百万级）更高效（Java 8+）
查找	binarySearch(int[] a, int key) / binarySearch(Object[] a, Object key)	二分查找：数组需先排序，找到返回索引，否则返回 -(插入点)-1
	binarySearch(Object[] a, Object key, Comparator<? super T> c)	带比较器的二分查找（仅对象数组）
填充	fill(int[] a, int val) / fill(Object[] a, T val)	填充整个数组
	fill(int[] a, int fromIndex, int toIndex, int val)	填充指定范围（左闭右开）
复制	copyOf(int[] original, int newLength)	复制数组：新长度，不足补默认值（基本类型 0，对象 null）
	copyOfRange(int[] original, int from, int to)	复制指定范围（左闭右开）
数组转集合	asList(T... a)	将数组转为 List（注意：返回的是 Arrays.ArrayList，非 java.util.ArrayList）
比较/哈希	equals(int[] a, int[] a2)	比较两个数组是否相等（长度+对应元素）
	deepEquals(Object[] a1, Object[] a2)	深度比较：用于多维数组
	toString(int[] a)	返回数组的字符串表示（如 [1,2,3]）
	deepToString(Object[] a)	多维数组的字符串表示
其他	stream(int[] a)	转为 Stream（Java 8+）
	mismatch(int[] a, int[] a2)	查找第一个不匹配的索引，无则返回 -1（Java 9+）

2. 关键示例

（1）排序 & 二分查找

int[] arr = {3, 1, 2};
// 排序
Arrays.sort(arr); // [1,2,3]
// 二分查找
int index = Arrays.binarySearch(arr, 2); // 返回1
int notFoundIndex = Arrays.binarySearch(arr, 4); // 返回-4（-(3)-1）

// 对象数组定制排序
String[] strArr = {"b", "a", "c"};
Arrays.sort(strArr, (s1, s2) -> s2.compareTo(s1)); // [c,b,a]

（2）数组复制

int[] original = {1,2,3};
// 复制为新长度（不足补0）
int[] copy1 = Arrays.copyOf(original, 5); // [1,2,3,0,0]
// 复制指定范围
int[] copy2 = Arrays.copyOfRange(original, 0, 2); // [1,2]

// 底层依赖的System.arraycopy（更高效）
int[] dest = new int[3];
System.arraycopy(original, 0, dest, 0, original.length);

（3）数组转集合（重点避坑）

// 正确：包装类数组转List
Integer[] intArr = {1,2,3};
List<Integer> list1 = Arrays.asList(intArr);

// 错误：基本类型数组转List（会被当成单个元素）
int[] primitiveArr = {1,2,3};
List<int[]> list2 = Arrays.asList(primitiveArr); // 类型是List<int[]>，而非List<Integer>

// 注意：Arrays.asList返回的List不可增删（固定大小）
// list1.add(4); // UnsupportedOperationException
// 若需可变List，需二次包装
List<Integer> mutableList = new ArrayList<>(Arrays.asList(intArr));
mutableList.add(4); // 正常

（4）多维数组比较 & 字符串表示

// 多维数组
int[][] arr1 = {{1,2}, {3,4}};
int[][] arr2 = {{1,2}, {3,4}};
int[][] arr3 = {{1,2}, {3,5}};

// 深度比较
System.out.println(Arrays.deepEquals(arr1, arr2)); // true
System.out.println(Arrays.deepEquals(arr1, arr3)); // false

// 深度字符串表示
System.out.println(Arrays.deepToString(arr1)); // [[1,2],[3,4]]

3. 注意事项

• Arrays.asList 坑点 ：
  • 基本类型数组转换会被视为单个元素（需用包装类数组）；
  • 返回的 Arrays.ArrayList 是静态内部类，无 add/remove 方法（仅实现 set），修改会抛异常；
• 二分查找前提：必须先排序，否则结果无意义；
• parallelSort 适用场景：仅大数据量（百万级以上）有性能优势，小数据量反而因线程开销更慢。

三、Collections & Arrays 对比

维度	Collections	Arrays
操作对象	List、Set、Map（集合）	基本类型数组、对象数组
核心功能	排序（仅List）、查找、填充、同步化、不可变封装	排序（所有数组）、查找、填充、复制、数组转集合、比较/哈希
线程安全	提供同步化包装方法	无
不可变封装	提供 emptyXXX/singletonXXX/unmodifiableXXX	仅 asList 返回固定大小 List
集合转数组	无（集合自身有 toArray() 方法）	无（提供数组转集合）

四、常见避坑总结

1. 不可变集合修改 ：Collections.unmodifiableXXX 和 Arrays.asList 返回的集合，调用 add/remove 均会抛 UnsupportedOperationException；
2. Collections.copy 容量 ：目标 List 需提前初始化大小（size()），而非仅指定容量；
3. Arrays.asList 基本类型 ：避免直接传入 int[]/long[] 等基本类型数组，需转为 Integer[]/Long[]；
4. 二分查找前置条件 ：无论是 Collections.binarySearch 还是 Arrays.binarySearch，必须先对目标排序；
5. 同步化集合迭代 ：Collections.synchronizedXXX 返回的集合，迭代时需手动加锁，否则可能出现并发修改异常。