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《Java高级编程：从原理到实战 - 进阶知识篇四》

news 来源：原创 2025/5/7 8:08:42

一. 集合框架体系结构

1.1 核心接口层次

1.2 主要实现类对比

接口	有序	可重复	线程安全	主要实现类
List	是	是	部分	ArrayList, LinkedList, Vector, CopyOnWriteArrayList
Set	部分	否	部分	HashSet, LinkedHashSet, TreeSet, CopyOnWriteArraySet
Queue	是	是	部分	LinkedList, PriorityQueue, ArrayBlockingQueue
Map	部分	Key唯一	部分	HashMap, LinkedHashMap, TreeMap, ConcurrentHashMap

二. List 接口及实现类

2.1 ArrayList

特点：动态数组实现，随机访问快(O(1))，插入删除慢(O(n))
扩容：默认初始容量10，扩容1.5倍
线程安全：非线程安全，可用Collections.synchronizedList包装

List<String> list = new ArrayList<>();
list.add("Java");
list.get(0);  // 随机访问

2.2 LinkedList

特点：双向链表实现，插入删除快(O(1))，随机访问慢(O(n))
额外功能：实现了Deque接口，可用作队列/栈

LinkedList<String> linkedList = new LinkedList<>();
linkedList.addFirst("First");
linkedList.addLast("Last");

2.3 Vector

特点：线程安全的动态数组(方法同步)
替代方案：推荐使用CopyOnWriteArrayList

2.4 CopyOnWriteArrayList

特点：写时复制，读操作无锁，适合读多写少场景
缺点：写操作性能较差，内存占用大

三. Set 接口及实现类

3.1 HashSet

特点：基于HashMap实现，无序，允许null元素
性能：添加、删除、包含操作O(1)

Set<String> set = new HashSet<>();
set.add("Java");
set.contains("Java");  // true

3.2 LinkedHashSet

特点：维护插入顺序的HashSet
实现：继承HashSet，底层使用LinkedHashMap

3.3 TreeSet

特点：基于TreeMap实现，元素有序(自然排序或Comparator)
性能：添加、删除、包含操作O(log n)

Set<Integer> sortedSet = new TreeSet<>();
sortedSet.add(3);
sortedSet.add(1);  // 自动排序 [1, 3]

四. Queue/Deque 接口及实现类

4.1 PriorityQueue

特点：基于堆的优先级队列，元素按优先级出队
排序：自然排序或Comparator指定

Queue<Integer> pq = new PriorityQueue<>();
pq.offer(5);
pq.poll();  // 获取最小元素

4.2 ArrayDeque

特点：基于循环数组的双端队列，比LinkedList更高效
用途：可作为栈或队列使用

Deque<String> deque = new ArrayDeque<>();
deque.push("Java");  // 栈操作
deque.pop();

4.3 BlockingQueue (并发队列)

实现类：ArrayBlockingQueue, LinkedBlockingQueue
特点：线程安全，支持阻塞操作

五. Map 接口及实现类

5.1 HashMap

特点：数组+链表+红黑树(JDK8)，允许null键/值
扩容：默认初始容量16，负载因子0.75，扩容2倍
哈希冲突：链表长度>8转红黑树，<6转回链表

Map<String, Integer> map = new HashMap<>();
map.put("Java", 1);
map.get("Java");

5.2 LinkedHashMap

特点：维护插入顺序或访问顺序
实现LRU：通过重写removeEldestEntry方法

Map<String, Integer> lruCache = new LinkedHashMap<>(16, 0.75f, true) {protected boolean removeEldestEntry(Map.Entry eldest) {return size() > 100;}
};

5.3 TreeMap

特点：基于红黑树的有序Map，按键排序
性能：查询、插入、删除O(log n)

5.4 ConcurrentHashMap

特点：线程安全，分段锁(JDK7)或CAS+synchronized(JDK8)
优势：高并发性能优于Hashtable

六. 工具类 Collections

6.1 常用方法

Collections.sort(list);  // 排序
Collections.reverse(list);  // 反转
Collections.synchronizedList(list);  // 线程安全包装
Collections.unmodifiableList(list);  // 不可变包装

6.2 比较器 Comparator

list.sort(Comparator.comparing(Person::getName).thenComparingInt(Person::getAge));

七. 集合使用最佳实践

初始化容量：预估大小避免频繁扩容
遍历选择：
- List：普通for(ArrayList) / 迭代器(LinkedList)
- Set/Map：迭代器或forEach
线程安全选择：
- 低竞争：Collections.synchronizedXxx
- 高并发：ConcurrentHashMap, CopyOnWriteArrayList
性能考虑：
- 随机访问多：ArrayList
- 插入删除多：LinkedList
- 快速查找：HashSet/HashMap
- 需要排序：TreeSet/TreeMap