Java 集合框架：接口体系、常用实现、底层结构与选型（含线程安全）

Java 集合框架：接口体系、常用实现、底层结构与选型

0. 阅读指南

• 日常开发最常用接口：List、Map、Set （其次是 Queue/Deque）。

• List<E>：List 是接口 ，E 是泛型元素类型 ；ArrayList 是 List 的实现类。

• "集合是否安全"通常指线程安全 ：接口不承诺线程安全，取决于实现类 + 是否被多线程共享。

• 选型口诀：
  默认：ArrayList + HashMap + HashSet；要顺序：LinkedHash*；要排序/范围：Tree*；并发共享：ConcurrentHashMap；栈/队列：ArrayDeque。

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1. 什么是集合框架（Collection Framework）？

集合框架可以理解为：JDK 提供的一套"标准化的数据容器体系"，用于存放和操作数据，让我们把精力放在业务逻辑上，而不是重复造轮子。

一个完整的集合框架通常包含三部分：

1. 接口（Interfaces）

   定义抽象数据类型（如 List/Set/Map），让我们在代码里"面向接口编程"，不关心具体实现。

2. 实现（Implementations）

   接口的具体实现类（如 ArrayList/HashMap），内部使用不同数据结构以达到不同性能特点。

3. 算法（Algorithms）

   对集合进行通用操作的方法（如排序、查找、批处理），常见于 Collections、Arrays 等工具类。

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2. 集合体系结构：Collection vs Map

Java 容器主要分两大类：

2.1 Collection：单列集合（存一个个元素）

• Collection<E>

  • List<E>：有序、可重复

  • Set<E>：唯一（去重）

  • Queue<E> / Deque<E>：队列/双端队列（工程中也很常用）

2.2 Map：键值对集合（key -> value）

• Map<K,V> 不继承 Collection

  这是很多初学者容易混的点：Map 自成体系。

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3.日常 Java 开发常用接口

1) List 体系：最常用

• List<E> ：最常用的集合接口之一，有序、可重复，绝大多数"结果集/展示列表/批量处理"都是 List。

• （常一起用的通用能力）Collection<E> / Iterable<E> ：很多方法参数会写成它们以提高通用性，但你写业务代码时还是以 List 为主。

2) Set 体系：常用，但场景更明确

• Set<E> ：核心就是去重（元素唯一），常用于"判重/过滤重复/黑白名单/去重统计"等。

• SortedSet<E> / NavigableSet<E> ：需要排序 + 范围查找 时会用（比如按时间/ID 有序、取区间、取最近值），但比 Set 少很多。

3) Map 体系：和 List 并列最常用

• Map<K,V> ：几乎所有项目都会大量用到，键值映射/快速查找/配置参数/聚合统计/分组结果等都离不开它。

• ConcurrentMap<K,V>：并发场景（缓存、计数器、共享状态）常用，尤其在多线程/高并发服务里。

• SortedMap<K,V> / NavigableMap<K,V> ：需要按 key 有序 + 范围操作 时用（如时间线、区间查询），频率低于 Map。

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List<E> 是什么？和 ArrayList 有什么关系？

1 先一句话说清楚

• List 是"规则/标准"（接口）

• ArrayList 是"按这个规则做出来的具体东西"（实现类）

• E 是"里面装什么类型的元素"（泛型）

2 用生活类比理解（最直观）

把 List 当成"插座标准 "，它规定了你必须支持哪些功能：

比如能 add()、能 get()、能 remove()......

ArrayList 就像"某个品牌按这个标准生产出来的插座 "。

同样符合 List 标准的，还有别的品牌/型号，比如 LinkedList。

所以：

• List：规定能力（接口）

• ArrayList：具体实现（实现类）

3 E 到底是什么？

E 是泛型参数，意思是 Element（元素）。

举例：

• List<String>：只能装字符串

• List<Integer>：只能装整数（实际上装的是 Integer，基本类型会装箱）

• List<User>：只能装 User 对象

4 它们之间的关系（最关键的一句）

ArrayList 实现了 List：

ArrayList<E> implements List<E>

这句的意思就是：
ArrayList 具备 List 规定的一切功能。

5 为什么代码里常写 List = new ArrayList()？

你经常看到这种写法：

List<String> list = new ArrayList<>();

这叫面向接口编程 ，好处是：

以后如果你发现 ArrayList 不合适，想换成别的实现，改动很小：

List<String> list = new LinkedList<>();

业务代码只认 List 的规则（add/get/remove），不关心底层用的是哪种实现。

6 一句话总结

List<E> 是一个"列表接口"，规定了列表必须有哪些操作；ArrayList 是 List 的一个实现类；E 表示列表里元素的类型。

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4. List / Set / Map 的区别

4.1 List

• 有序（有索引）

• 可重复

• 多数实现允许 null

• 常见场景：结果集、分页列表、批量处理、展示数据

4.2 Set

• 元素唯一（去重）

• "无序"更准确说法：迭代顺序不保证（由具体实现决定）

• HashSet/LinkedHashSet 通常允许一个 null

• 常见场景：判重、去重、黑白名单、集合运算（交并差）

4.3 Map

• key -> value 映射

• key 必须唯一，value 可重复

• HashMap 允许 1 个 null key；ConcurrentHashMap/Hashtable 不允许 null

• 常见场景：按 id 查对象、分组统计、缓存、参数映射

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5. 常用集合类有哪些？（开发最常见）

5.1 List 常用

• ArrayList（最常用）

• LinkedList（更多时候当 Deque 用）

• Vector/Stack（老类，通常不推荐新项目使用）

5.2 Set 常用

• HashSet

• LinkedHashSet（保持插入顺序）

• TreeSet（有序、支持范围查询）

5.3 Map 常用

• HashMap（最常用）

• LinkedHashMap（保持顺序 / 可实现 LRU）

• TreeMap（按 key 排序 / 范围查询）

• ConcurrentHashMap（并发场景）

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6. 选型表：常用类 + 底层结构 + 复杂度

这张表就是"你该用哪个集合"的速查表。

典型场景	推荐实现类	接口	底层数据结构	典型复杂度	线程安全	备注
普通列表/结果集，随机访问多	ArrayList	List	动态数组 Object[]	get O(1)，尾插均摊 O(1)，中间改 O(n)	否	最常用 List
头尾频繁增删（队列/栈）	ArrayDeque	Deque	循环数组	头尾操作均摊 O(1)	否	推荐替代 Stack ；不允许 null
按优先级取最小/最大	PriorityQueue	Queue	堆	offer/poll O(log n)，peek O(1)	否	不保证遍历有序
判重/去重	HashSet	Set	基于 HashMap	平均 O(1)	否	依赖 hashCode/equals
去重 + 保持插入顺序	LinkedHashSet	Set	LinkedHashMap（Hash + 双向链表）	平均 O(1)	否	遍历顺序=插入顺序
排序/范围查询（<=、区间）	TreeSet	NavigableSet	红黑树（TreeMap）	O(log n)	否	通常不接受 null（取决于比较器）
key 查 value / 分组统计 / 缓存	HashMap	Map	数组 + 链表/红黑树（JDK8+）	平均 O(1)	否	允许 1 个 null key
Map 保持插入顺序 / LRU	LinkedHashMap	Map	HashMap + 双向链表	平均 O(1)	否	可实现 LRU
key 有序 + 范围查询	TreeMap	NavigableMap	红黑树	O(log n)	否	适合区间/最值
多线程共享 Map	ConcurrentHashMap	ConcurrentMap	并发哈希结构	并发下接近 O(1)	是	不允许 null；用原子 API
读多写少并发 List/Set	CopyOnWriteArrayList/Set	List/Set	写时复制数组	读 O(1)，写 O(n)	是	配置/白名单很适合
简单粗暴同步包装	Collections.synchronizedXxx	多种	外层锁包装	取决于内部实现	是	遍历仍需手动同步

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7. 集合"线程安全"到底怎么理解？（Map vs ConcurrentMap）

先给结论：接口不保证线程安全，看实现类 + 使用方式。

7.1 常见非线程安全（默认）

• ArrayList、HashMap、HashSet、LinkedHashMap、TreeMap ...

如果它们只是方法内局部变量（每次请求新建、不共享），一般没问题。

7.2 常见线程安全 / 并发友好

• ConcurrentHashMap（最常用并发 Map）

• CopyOnWriteArrayList/Set（读多写少）

• Collections.synchronizedMap/List/Set(...)（同步包装）

• Vector/Hashtable/Stack（老的同步类，新项目一般不推荐）

7.3 并发容器也要"用对姿势"

错误写法（复合操作有竞态）：

if (!map.containsKey(k)) {
    map.put(k, v);
}

正确写法（原子操作）：

map.putIfAbsent(k, v);
// 或
map.computeIfAbsent(k, kk -> createValue());

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8. 数组 vs 集合

• 数组：长度固定；集合：通常可动态扩容

• 数组可存基本类型（int[]）和引用类型（String[]）

  集合只能存引用类型，但基本类型会自动装箱 （List<Integer>）

• "数组必须同类型、集合可不同类型"这句容易误导：

  如果集合使用泛型（推荐），同样会限制类型；不使用泛型才可能混放，但不推荐。

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9. 面试/实战速答模板

• List/Set/Map 区别：List 有序可重复；Set 去重唯一；Map 键值映射 key 唯一。

• ArrayList vs LinkedList：ArrayList 随机访问快；LinkedList 头尾增删更方便（常当 Deque）。

• HashMap vs TreeMap：HashMap 无序但快；TreeMap 有序支持范围查询（O(log n)）。

• HashMap vs ConcurrentHashMap：前者非线程安全；后者并发友好且提供原子复合操作（但不允许 null）。

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10. 总结

• 最常用接口：List、Map、Set

• 最常用实现：ArrayList、HashMap、HashSet

• 要顺序：LinkedHashMap/LinkedHashSet；要排序/范围：TreeMap/TreeSet

• 多线程共享：优先 ConcurrentHashMap，并用 computeIfAbsent/putIfAbsent 这类原子方法