Java 集合框架

Java 集合框架（Java Collections Framework, JCF）是 Java 开发中最核心、最常用的工具之一，用于高效地存储和操作一组对象。合理选择集合类型对程序的性能、内存占用、线程安全性和代码可读性至关重要。

下面从 分类结构、核心特性、适用场景 三个维度系统介绍 Java 集合，并给出"什么时候用什么集合"的实用建议。

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一、Java 集合框架整体结构

Collection
├── List（有序、可重复）
│   ├── ArrayList
│   ├── LinkedList
│   └── Vector / Stack（已过时，不推荐）
│
├── Set（无序、不可重复）
│   ├── HashSet
│   ├── LinkedHashSet
│   └── TreeSet
│
└── Queue（队列，FIFO 或优先级）
    ├── LinkedList（也实现 Deque）
    ├── ArrayDeque
    ├── PriorityQueue
    └── BlockingQueue（如 LinkedBlockingQueue）

Map（键值对，非 Collection 子接口）
├── HashMap
├── LinkedHashMap
├── TreeMap
├── Hashtable（过时）
└── ConcurrentHashMap

⚠️ 注意：Map 不属于 Collection 接口体系，但通常被归为集合框架的一部分。

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二、各类集合详解与使用场景

1. List ------ 有序、允许重复、按索引访问

实现类	底层结构	查询	插入/删除	线程安全	适用场景
ArrayList	动态数组	O(1)（按索引）	O(n)（中间插入/删除）	❌ 否	✅ 绝大多数场景首选• 频繁随机访问• 数据量大且读多写少
LinkedList	双向链表	O(n)	O(1)（首尾操作）	❌ 否	• 频繁在首尾增删（如栈、队列）• 很少随机访问

📌 建议 ：除非明确需要频繁头尾操作，否则优先用 ArrayList。LinkedList 内存开销大（每个节点存前后指针），缓存局部性差。

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2. Set ------ 无重复元素

实现类	底层	是否有序	是否排序	时间复杂度（add/contains）	适用场景
HashSet	HashMap	❌ 无序	❌	O(1) 平均	✅ 去重 + 快速查找• 不关心顺序• 如用户ID集合、黑名单
LinkedHashSet	LinkedHashMap	✅ 插入顺序	❌	O(1)	• 需要保持插入顺序的去重集合• 如记录访问历史
TreeSet	TreeMap（红黑树）	✅ 升序（自然 or Comparator）	✅	O(log n)	• 需要自动排序 • 如排行榜、范围查询（subSet()）

📌 关键点：

• HashSet 依赖 hashCode() 和 equals()，务必正确重写！
• TreeSet 要求元素实现 Comparable 或提供 Comparator。

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3. Map ------ 键值对存储

实现类	底层	是否有序	是否排序	线程安全	适用场景
HashMap	数组+链表/红黑树（JDK8+）	❌	❌	❌	✅ 最常用 Map• 高频 get/put• 如缓存、配置项
LinkedHashMap	HashMap + 双向链表	✅ 插入/访问顺序	❌	❌	• LRU 缓存（重写 removeEldestEntry）• 保持插入或访问顺序
TreeMap	红黑树	✅ 升序（按 key）	✅	❌	• 按 key 范围查询（subMap）• 如按时间戳排序的日志
ConcurrentHashMap	分段锁 / CAS（JDK8+）	❌	❌	✅	✅ 高并发场景首选 • 多线程共享 Map• 替代 Hashtable 或 synchronizedMap

📌 注意：

• Hashtable 和 Collections.synchronizedMap() 性能差（全表锁），避免使用。
• ConcurrentHashMap 不支持 null key/value。

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4. Queue / Deque ------ 队列与双端队列

实现类	特性	适用场景
ArrayDeque	基于循环数组，无界	✅ 栈、队列首选 • 替代 Stack 和 LinkedList 做队列
LinkedList	双向链表	• 需要同时当 List 和 Queue 用（不推荐混用）
PriorityQueue	二叉堆	• 优先级队列（如任务调度、Top K 问题）
BlockingQueue （如 LinkedBlockingQueue）	阻塞队列	• 生产者-消费者模型• 线程池工作队列

📌 建议：

• 用 ArrayDeque 代替 Stack（Stack 继承 Vector，性能差且线程安全冗余）。
• 高并发生产消费 → 用 BlockingQueue。

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三、线程安全集合选择

场景	推荐方案
单线程	直接用 ArrayList, HashMap, HashSet
多线程只读	普通集合 + Collections.unmodifiableXxx() 包装
多线程读写（高性能）	ConcurrentHashMap, CopyOnWriteArrayList, ConcurrentLinkedQueue
多线程读写（强一致性）	Collections.synchronizedXxx()（性能差，慎用）

🔥 重点：

• CopyOnWriteArrayList：写时复制 ，适合读多写少（如监听器列表）。
• ConcurrentHashMap：支持高并发读写，不要用 synchronizedMap。

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四、快速决策指南（什么时候用什么？）

你的需求	推荐集合
存一组数据，经常通过下标访问	ArrayList
需要去重，不关心顺序	HashSet
需要去重，且保持插入顺序	LinkedHashSet
需要自动排序（如字典序）	TreeSet 或 TreeMap
存键值对，高频查询	HashMap
存键值对，需要按插入顺序遍历	LinkedHashMap
多线程共享 Map	ConcurrentHashMap
实现栈（LIFO）	ArrayDeque（调用 push/pop）
实现队列（FIFO）	ArrayDeque（调用 offer/poll）
任务按优先级处理	PriorityQueue
生产者-消费者模型	BlockingQueue（如 LinkedBlockingQueue）

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五、最佳实践总结

1. 默认选择：

   • List → ArrayList
   • Set → HashSet
   • Map → HashMap

2. 需要顺序？

   • 插入顺序 → LinkedHashSet / LinkedHashMap
   • 排序 → TreeSet / TreeMap

3. 高并发？

   • 用 java.util.concurrent 包下的并发集合，不要自己加 synchronized。

4. 避免过时类：

   • 不要用 Vector, Stack, Hashtable。

5. 注意 null 值：

   • ConcurrentHashMap、TreeMap 等不支持 null key。

6. 初始化容量：

   • 已知数据量大时，构造时指定初始容量（如 new ArrayList(1000)），避免频繁扩容。

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结语

Java 集合不是"随便选一个能用就行"，而是根据访问模式、数据规模、并发需求、顺序要求 综合权衡的结果。掌握每种集合的内部结构 和时间复杂度特性，才能写出高性能、可维护的代码。

💡 记住一句话 ：
"读多写少用 CopyOnWrite，高并发用 Concurrent，排序用 Tree，去重用 Hash，顺序用 Linked，队列栈用 ArrayDeque。"