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Java 进阶--集合：告别数组的“僵硬”，拥抱灵活的数据容器

news 来源：原创 2025/5/2 7:14:32

作者：IvanCodes

发布时间：2025年5月1日🫡

专栏：Java教程

大家好！👋 还记得我们上次聊的数组 (Array) 吗？它很基础，性能也不错，但有个致命的缺点：长度一旦定了就不能改 <🔒>！想象一下，你用数组存购物车里的商品 🛒，刚开始定了装 10 件，结果顾客想买第 11 件… 咋办？重新创建一个更大的数组，再把旧的东西搬过去？太麻烦了！😫

为了解决数组这种“僵硬”的问题，以及提供更丰富的数据组织方式，Java 提供了一套强大的 集合框架 (Java Collections Framework, JCF)。你可以把它想象成一个超级工具箱 🧰，里面有各种大小可变、功能各异的容器 🧺，专门用来高效地存储和管理对象。今天，我们就来打开这个工具箱，看看里面有哪些宝贝！✨

一、为什么需要集合？它比数组强在哪？ 🤔🚀

相比数组，集合主要有这些优势：

动态大小 <📏➡️<♾️>>：大部分集合的大小是可变的，你可以随时添加或删除元素，不用担心容量问题。
丰富的功能 <⚙️>: 集合框架提供了大量现成的方法来操作数据，比如添加、删除、查找、排序、迭代等，比数组方便得多。
不同的数据结构 <🗺️>: 集合框架提供了多种数据结构（如列表、集、队列、映射），每种都有不同的特点（如是否有序、是否允许重复），可以根据需求选择最合适的。
泛型支持 : 集合天生与泛型结合，保证了类型安全，避免了从集合中取出元素时的强制类型转换和潜在错误。

二、集合框架的核心：接口与实现 <🧱>

Java 集合框架的设计非常优雅，它主要由一系列接口（定义规范）和实现类（提供具体的数据结构和算法）组成。我们写代码时，应该尽量面向接口编程，这样更灵活。

核心接口主要有这几位大佬：

Collection<E> <🧺>: 单列集合的根接口，定义了所有单列集合（一次存一个元素）的基本操作，如 add(), remove(), contains(), size(), isEmpty(), iterator()。它派生出两个主要的子接口：List 和 Set。
List<E> <📝>: 有序的集合（元素按插入顺序排列），允许存储重复的元素。可以把它想象成一个带编号的清单，可以根据索引（编号）精确访问。
Set<E> <🚫>: 无序（通常不保证顺序）的集合，不允许存储重复的元素。就像一个独特的邮票收藏册，每张邮票都是独一无二的。
Queue<E> <🚶‍♀️➡️🚶‍♂️>: 队列接口，通常遵循先进先出（FIFO）的原则（也有例外，如优先队列）。就像排队买票 <🎫>，先来的先买。
Map<K, V> <🔑➡️<🎁>>: 映射接口，存储的是键值对 (Key-Value Pair)。注意⚠️：Map 不直接继承 Collection 接口，它自成一派，但通常被认为是集合框架的一部分。Key 必须唯一，Value 可以重复。就像一本字典 📖，通过唯一的“单词”（Key）可以查到对应的“解释”（Value）。

接下来，我们详细看看最常用的 List, Set, Map 及其主要实现。

三、`List` 接口：有序，可重复 <📝>

特点：存入和取出的顺序一致，可以包含相同的元素。

常用实现类：

ArrayList<E> <🧱>:
- 底层：基于动态数组实现。
- 优点👍：查询（根据索引 get()）速度快⚡️（随机访问快）。
- 缺点👎：增删（add() / remove()，尤其是在中间位置）速度相对较慢🐢，因为可能需要移动大量元素。
- 适用场景🎯：查找多、增删少的情况。最常用的 List 实现。
LinkedList<E> <🔗>:
- 底层：基于双向链表实现。
- 优点👍：增删（尤其是在首尾）速度快🚀，不需要移动元素，只需修改指针。
- 缺点👎：查询（根据索引 get()）速度相对较慢🐌，需要从头或尾开始遍历链表。
- 适用场景🎯：增删多、查找少的情况。它也实现了 Queue 接口，常被用作队列或栈。

代码示例 (ArrayList):

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;public class ListDemo {public static void main(String[] args) {// 创建一个存储 String 的 ArrayList (面向接口编程)List<String> names = new ArrayList<>(); // new// 添加元素names.add("Alice"); // 索引 0names.add("Bob");   // 索引 1names.add("Charlie"); // 索引 2names.add("Bob"); // 允许重复System.out.println("Names list: " + names); // 输出保持添加顺序// 获取元素 (按索引)String secondName = names.get(1); // 获取索引为 1 的元素System.out.println("Second name: " + secondName); // Bob// 修改元素names.set(3, "David"); // 修改索引为 3 的元素System.out.println("After modification: " + names);// 删除元素names.remove(0); // 删除索引为 0 的元素System.out.println("After removing first element: " + names);// 获取大小System.out.println("Current size: " + names.size());// 遍历 (增强 for)System.out.print("Iterating through names: ");for(String name : names) {System.out.print(name + " ");}System.out.println();}
}

四、`Set` 接口：无序 (通常)，不重复 <🚫>

特点：不能包含重复的元素。大部分实现不保证元素的存取顺序。

常用实现类：

HashSet<E> <🧺><#️⃣>:

底层：基于哈希表 (HashMap 实现)。
优点👍：添加、删除、查找（contains()）速度非常快⚡️（平均 O(1)）。
缺点👎：不保证元素的顺序。
要求：存入 HashSet 的元素必须正确重写 hashCode() 和 equals() 方法。
适用场景🎯：需要快速去重或快速判断元素是否存在，且不关心顺序。最常用的 Set 实现。

代码示例 (HashSet):

import java.util.HashSet;
import java.util.Set;public class HashSetDemo {public static void main(String[] args) {// 创建一个存储 Integer 的 HashSet (面向接口编程)Set<Integer> uniqueNumbers = new HashSet<>(); // new// 添加元素uniqueNumbers.add(5);uniqueNumbers.add(10);uniqueNumbers.add(5); // 尝试添加重复元素 5uniqueNumbers.add(15);uniqueNumbers.add(10); // 尝试添加重复元素 10// 输出 Set，重复元素自动被忽略，顺序不一定是添加顺序System.out.println("Unique numbers set: " + uniqueNumbers); // 可能输出 [5, 10, 15] 或其他顺序// 检查是否包含元素boolean hasTen = uniqueNumbers.contains(10);System.out.println("Set contains 10? " + hasTen); // true// 删除元素uniqueNumbers.remove(5);System.out.println("After removing 5: " + uniqueNumbers);System.out.println("Current size: " + uniqueNumbers.size()); // 2// 遍历 (顺序不保证)System.out.print("Iterating through the set: ");for(Integer num : uniqueNumbers) {System.out.print(num + " ");}System.out.println();}
}

LinkedHashSet<E> <🔗><#️⃣>:

底层：基于哈希表和双向链表。
优点👍：既有 HashSet 的快速查找 (O(1))，又能保持元素的插入顺序 <➡️>！遍历时会按照添加的顺序输出。
缺点👎：性能略低于 HashSet（因为维护链表的额外开销），内存占用也稍大。
要求：同样需要元素正确重写 hashCode() 和 equals()。
适用场景🎯：需要去重，同时希望保持元素添加时的顺序。

代码示例 (LinkedHashSet):

import java.util.LinkedHashSet;
import java.util.Set;public class LinkedHashSetDemo {public static void main(String[] args) {// 创建 LinkedHashSet，保持插入顺序Set<String> orderedUniqueNames = new LinkedHashSet<>(); // neworderedUniqueNames.add("Charlie");orderedUniqueNames.add("Alice");orderedUniqueNames.add("Bob");orderedUniqueNames.add("Alice"); // 重复的 Alice 被忽略// 输出时会保持添加顺序！System.out.println("Ordered unique names: " + orderedUniqueNames);// Output: Ordered unique names: [Charlie, Alice, Bob]}
}

TreeSet<E> <🌳>:

底层：基于红黑树 (TreeMap 实现)。
优点👍：元素会自动排序！可以按照元素的自然顺序（元素需实现 Comparable 接口）或者指定的比较器（创建 TreeSet 时传入 Comparator）进行排序。
缺点👎：增删查的速度略慢于 HashSet（O(log n)）。
要求：存入 TreeSet 的元素必须是可比较的。
适用场景🎯：需要去重的同时保持元素有序。

代码示例 (TreeSet):

import java.util.Set;
import java.util.TreeSet;public class TreeSetDemo {public static void main(String[] args) {// 创建 TreeSet，元素会自动排序Set<Integer> sortedNumbers = new TreeSet<>(); // newsortedNumbers.add(50);sortedNumbers.add(20);sortedNumbers.add(80);sortedNumbers.add(20); // 重复的 20 被忽略// 输出时元素是排序好的！System.out.println("Sorted unique numbers: " + sortedNumbers);// Output: Sorted unique numbers: [20, 50, 80]}
}

五、`Map` 接口：键值对存储 <🔑➡️<🎁>>

特点：存储的是 Key-Value 对，Key 必须唯一，Value 可以重复。通过 Key 可以快速查找到对应的 Value。

常用实现类：

HashMap<K, V> <🧺><#️⃣>:

底层：基于哈希表。
优点👍：增删查（根据 Key）速度极快⚡️（平均 O(1)）。
缺点👎：不保证键值对的存储顺序。
要求：Key 必须正确重写 hashCode() 和 equals()。
允许 Key 和 Value 为 null (Key 只能有一个 null )。
适用场景🎯：需要快速 Key-Value 查找，不关心顺序。最常用。
LinkedHashMap<K, V> <🔗><#️⃣>:
- 底层：基于哈希表和双向链表。
- 优点👍：既有 HashMap 的快速查找，又能保持键值对的插入顺序 <➡️>（或访问顺序，构造时可指定）。
- 缺点👎：性能略低于 HashMap，内存占用稍大。
- 要求：Key 同样需要 hashCode() 和 equals()。
- 适用场景🎯：需要保持插入顺序的映射关系，如实现LRU缓存（使用访问顺序）。
TreeMap<K, V> <🌳>:
- 底层：基于红黑树。
- 优点👍：键值对会根据 Key 自动排序！
- 缺点👎：增删查速度略慢（O(log n)）。
- 要求：Key 必须是可比较的。
- 不允许 Key 为 null。
- 适用场景🎯：需要按 Key 排序的映射关系。
Hashtable<K, V> <🔒><#️⃣>:
- 底层：也是基于哈希表。
- 特点：线程安全！所有方法都是 synchronized 的。
- 缺点👎：因为所有方法都加锁，并发性能很差 <🐢>。现在基本不推荐使用。
- 不允许 Key 或 Value 为 null <🚫>。
- 替代方案💡：需要线程安全的 Map，优先考虑 <font color="purple">ConcurrentHashMap</font> (来自 java.util.concurrent 包)，它提供了更好的并发性能。

(HashMap 和 TreeMap 示例省略，见上一版本)

六、集合工具类：`Collections` <🛠️>

别和 Collection 接口搞混了！Collections (带 s) 是一个工具类，里面全是 static 方法，用来方便地操作集合。

一些常用方法：

Collections.sort(List<T> list): 对 List 进行排序 <📊>。
Collections.reverse(List<?> list): 反转 List 中元素的顺序 <🔄>。
Collections.shuffle(List<?> list): 随机打乱 List 中元素的顺序 <🔀>。
Collections.max(Collection<? extends T> coll) / min(...): 找到集合中的最大/最小值 <🥇><🥉>。
Collections.frequency(Collection<?> c, Object o): 计算指定元素在集合中出现的次数 <🔢>。
Collections.synchronizedList/Set/Map(...): 返回指定集合的线程安全版本 <🔒> (性能不如 java.util.concurrent 包下的类)。
Collections.unmodifiableList/Set/Map(...): 返回指定集合的只读视图 <🚫>✍️。

代码示例:

import java.util.ArrayList;
import java.util.Collections; // 导入工具类
import java.util.List;public class CollectionsUtilDemo {public static void main(String[] args) {List<Integer> numbers = new ArrayList<>();numbers.add(5);numbers.add(1);numbers.add(8);numbers.add(3);System.out.println("Original list: " + numbers);// 排序Collections.sort(numbers);System.out.println("Sorted list: " + numbers);// 反转Collections.reverse(numbers);System.out.println("Reversed list: " + numbers);// 查找最大值Integer max = Collections.max(numbers);System.out.println("Maximum value: " + max);}
}

七、别忘了迭代器 (`Iterator`) <🔍>

迭代器是遍历所有 Collection (List, Set, Queue) 的标准、通用方式。虽然增强型 for 循环更简洁，但迭代器允许你在遍历过程中安全地删除元素（使用 iterator.remove()）。

(迭代器代码示例省略，见上一版本)

八、总结：选择合适的容器 🏁

Java 集合框架提供了一套丰富、灵活、高效的数据容器。选择时主要考虑：

是否有序？ (List 有序, 大部分 Set/Map 无序, LinkedHashSet/LinkedHashMap 插入有序, TreeSet/TreeMap 排序)
是否允许重复？ (List 允许, Set 不允许)
存储结构？ (单个元素用 List/Set, 键值对用 Map)
性能需求？ (查找为主选 ArrayList/HashSet/HashMap, 增删为主选 LinkedList, 需要排序选 TreeSet/TreeMap)
是否需要线程安全？ (优先考虑 ConcurrentHashMap 等 java.util.concurrent 包下的类)

核心原则：面向接口编程！始终使用泛型！根据需求选择最合适的实现类。

九、练练手，检验成果！✏️🧠

检验一下学习成果吧！

⭐ 选择与应用 ⭐

如果你需要存储用户访问网站的页面顺序（URL 字符串），并且可能会频繁在列表开头添加新的访问记录（最新的访问总在最前面），你会选择 ArrayList<String> 还是 LinkedList<String>？为什么？
你需要存储一个班级所有学生的学号 (String)，要求不能重复，并且希望能够快速检查某个学号是否已经存在，对顺序没有要求。选择哪个 Set 实现？
你想记录每个单词 (String) 在一篇文章中出现的次数 (Integer)。选择哪个 Map 实现最合适？
新增：如果第3题中，你希望输出单词及其次数时，单词能按照字母顺序排列，应该选择哪个 Map 实现？
新增：你需要一个线程安全的 Map 来存储缓存数据，应该优先选择哪个类？

⭐ 工具类与遍历 ⭐

创建一个 ArrayList<Integer>，添加一些数字，然后使用 Collections.sort() 对其排序，并使用 Collections.reverse() 将其反转，最后打印结果。
使用迭代器遍历一个 HashSet<String>，并在遍历过程中安全地删除所有长度小于 5 的字符串。

⭐ 概念辨析 ⭐

Collection 和 Collections 有什么区别？
为什么 HashMap 的 Key 需要正确重写 hashCode() 和 equals() 方法？如果只重写 equals() 而不重写 hashCode() 会有什么问题？
新增：ArrayList 和 Vector 有什么主要区别？为什么现在很少推荐使用 Vector？

十、参考答案 ✅💡

⭐ 选择与应用答案 ⭐

选择 LinkedList。
- 原因：需要在列表开头进行频繁的添加操作。LinkedList 在首部添加元素的时间复杂度是 O(1)，非常快。而 ArrayList 在开头添加元素需要将所有现有元素向后移动，时间复杂度是 O(n)，效率低。
选择 HashSet<String>。
- 原因：需求是去重 (Set 特性)，快速检查是否存在 (HashSet 提供 O(1) 的 contains() 操作)，且不关心顺序。HashSet 完美符合这些要求。
选择 HashMap<String, Integer>。
- 原因：需要存储单词 (Key) 到出现次数 (Value) 的映射关系 (Map 功能)。单词 (Key) 是唯一的。通常查找某个单词的次数（get(word)）和更新次数（put(word, count + 1)）需要快，HashMap 提供 O(1) 的平均性能。对单词的存储顺序通常不关心。
选择 TreeMap<String, Integer>。
- 原因：TreeMap 会根据 Key (String) 的自然顺序（字母顺序）自动对键值对进行排序。
优先选择 ConcurrentHashMap<K, V> (来自 java.util.concurrent 包)。
- 原因：ConcurrentHashMap 提供了高效的线程安全机制（如分段锁或 CAS），并发性能远好于使用全局锁的 Hashtable 或 Collections.synchronizedMap()。

⭐ 工具类与遍历答案 ⭐

排序与反转 List:

import java.util.ArrayList;
import java.util.Collections;
import java.util.List;
import java.util.Arrays; // 方便初始化public class SortReverseDemo {public static void main(String[] args) {List<Integer> numbers = new ArrayList<>(Arrays.asList(5, 1, 8, 3, 2));System.out.println("Original list: " + numbers);Collections.sort(numbers); // 排序System.out.println("Sorted list:   " + numbers);Collections.reverse(numbers); // 反转System.out.println("Reversed list: " + numbers);}
}

使用迭代器安全删除:

import java.util.HashSet;
import java.util.Iterator;
import java.util.Set;public class IteratorRemoveDemo {public static void main(String[] args) {Set<String> words = new HashSet<>();words.add("Java");words.add("is");words.add("fun");words.add("and");words.add("powerful");System.out.println("Original set: " + words);// 必须使用迭代器进行遍历中的删除操作Iterator<String> iterator = words.iterator();while (iterator.hasNext()) {String word = iterator.next();if (word.length() < 5) {// 安全删除当前元素iterator.remove(); // 使用迭代器的 remove() 方法System.out.println("Removed: " + word);}}// 不能在增强 for 循环中直接调用 words.remove(word)，会抛 ConcurrentModificationExceptionSystem.out.println("Set after removal: " + words);}
}

⭐ 概念辨析答案 ⭐

Collection vs Collections:
- Collection: 是一个接口 <📝>，单列集合的根。
- Collections: 是一个 工具类 <🛠️>，提供操作集合的static方法。
为什么 HashMap Key 需要 hashCode() 和 equals(): (答案同上一版本，此处省略)
ArrayList vs Vector:
- 主要区别: Vector 是线程安全的，它的所有方法都使用 synchronized 修饰。ArrayList 是非线程安全的。此外，Vector 是 Java 早期 (JDK 1.0) 就存在的类，而 ArrayList 是在集合框架 (JDK 1.2) 中引入的。Vector 的默认扩容大小通常是翻倍，而 ArrayList 通常是增长 50%。
- 为什么少用 Vector: 因为其全局同步导致性能低下 <🐢>，在不需要线程安全的场景下完全没必要用它（用 ArrayList 更快）。而在需要线程安全的场景下，有性能更好的替代品，如使用 Collections.synchronizedList() 包装 ArrayList（虽然锁粒度仍然较大），或者直接使用 java.util.concurrent 包下的 CopyOnWriteArrayList（适用于读多写少的场景）。因此，Vector 现在基本被视为遗留类，在新代码中很少推荐使用。