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Java集合框架、Collection体系的单列集合

news 2025/8/11 8:30:37

Java集合框架、Collection

1. 认识Java集合框架及结构

Java集合框架是用于存储和操作对象的容器体系，主要分为Collection和Map两大根接口。其中Collection接口用于存储单个元素的集合，Map接口用于存储键值对映射关系。

1.1 集合框架整体结构

Collection接口是所有单列集合的根接口，它有两个主要子接口：List（有序、可重复）和Set（无序、不可重复）。每个子接口有多个实现类，具体结构如下：

Collection
├─ List（有序、可重复）
│  ├─ ArrayList（动态数组实现，查询快、增删慢）
│  ├─ LinkedList（双向链表实现，增删快、查询慢）
│  └─ Vector（线程安全的动态数组，已被ArrayList替代）
│
└─ Set（无序、不可重复）├─ HashSet（哈希表实现，无序、唯一，查询效率高）├─ LinkedHashSet（哈希表+双向链表实现，**有序（插入顺序）、唯一**，继承自HashSet）└─ TreeSet（红黑树实现，可排序、唯一，基于比较器或自然排序）

关键说明：

  • 集合框架中的所有实现类均支持泛型，可指定存储元素的类型，避免类型转换异常。

1.2 集合框架的核心作用

  • 统一存储：提供标准化的容器接口，避免重复开发存储逻辑。
  • 简化操作：封装了增删改查等常用方法（如add()、remove()、size()），无需手动实现数据结构细节。
  • 灵活扩展：不同实现类适用于不同场景（如ArrayList适合查询，LinkedList适合增删，LinkedHashSet兼顾去重和顺序）。

2. Collection的两大常用集合体系及各个系列集合的特点

Collection接口下的两大核心体系为List系列和Set系列，它们的特点及主要实现类对比如下：

2.1 List系列集合（有序、可重复）

  • 核心特点：元素有序（存储顺序=遍历顺序）、可重复（允许包含相同元素）、有索引（可通过下标操作元素）。
  • 主要实现类：
    • ArrayList：基于动态数组实现，查询效率高（通过索引直接访问），增删效率低（需移动元素）。
    • LinkedList：基于双向链表实现，增删效率高（仅需修改指针），查询效率低（需从头/尾遍历）。

2.2 Set系列集合（无序、不可重复）

  • 核心特点：元素无序（默认存储顺序与遍历顺序无关）、不可重复（通过特定机制保证元素唯一性）、无索引（不能通过下标操作元素）。
  • 主要实现类：
    • HashSet：基于哈希表实现，无序、唯一，查询/插入/删除效率高（时间复杂度O(1)）。
    • LinkedHashSet：继承自HashSet，通过双向链表维护插入顺序，因此遍历顺序与插入顺序一致，同时保留HashSet的去重特性。
    • TreeSet：基于红黑树实现，可对元素进行排序（自然排序或定制排序），唯一，查询效率O(log n)。

3. Collection的常用方法

Collection接口定义了所有单列集合的通用方法，以下是最常用的10个方法及简单案例：

方法名作用代码示例（以ArrayList为例）
boolean add(E e)添加元素到集合末尾list.add("苹果"); // 添加"苹果"到集合
boolean remove(Object o)删除指定元素list.remove("苹果"); // 删除"苹果"
void clear()清空集合所有元素list.clear(); // 集合变为空
boolean contains(Object o)判断集合是否包含指定元素boolean hasApple = list.contains("苹果");
int size()返回集合元素个数int count = list.size(); // 获取元素数量
boolean isEmpty()判断集合是否为空boolean empty = list.isEmpty(); // 空返回true
Object[] toArray()将集合转换为数组Object[] arr = list.toArray(); // 集合转数组
boolean addAll(Collection<? extends E> c)添加另一个集合的所有元素到当前集合list.addAll(anotherList); // 合并两个集合
boolean removeAll(Collection<?> c)删除当前集合中与另一个集合共有的元素list.removeAll(anotherList); // 保留差集
boolean retainAll(Collection<?> c)保留当前集合中与另一个集合共有的元素list.retainAll(anotherList); // 保留交集

4. List系列集合的特点和特有方法

List系列集合因有索引，提供了更多基于索引的操作方法，核心特点及特有方法如下：

4.1 List系列核心特点

  • 有序：元素存储顺序与遍历顺序一致（如插入顺序为A→B→C，遍历结果也为A→B→C）。
  • 可重复：允许添加相同元素（如list.add("苹果"); list.add("苹果");会存储两个"苹果"）。
  • 有索引：可通过get(int index)直接访问指定位置元素，类似数组。

4.2 List特有方法（以ArrayList为例）

方法名作用代码示例
void add(int index, E element)在指定索引位置插入元素list.add(1, "香蕉"); // 在索引1处插入"香蕉"
E remove(int index)删除指定索引位置的元素并返回该元素String removed = list.remove(1); // 删除索引1元素
E set(int index, E element)修改指定索引位置的元素并返回旧元素String old = list.set(1, "橙子"); // 替换索引1元素
E get(int index)返回指定索引位置的元素String fruit = list.get(0); // 获取索引0元素

5. ArrayList的四种遍历方式及删除元素时的并发修改异常

ArrayList是List接口的最常用实现类，支持多种遍历方式，但在遍历过程中删除元素可能导致并发修改异常（ConcurrentModificationException）。以下详细介绍四种遍历方式及删除元素的注意事项。

5.1 四种遍历方式

以ArrayList<String> list = new ArrayList<>(Arrays.asList("A", "B", "C", "D"))为例

5.1.1 普通for循环（基于索引）
// 正序遍历
for (int i = 0; i < list.size(); i++) {String element = list.get(i); // 通过索引获取元素System.out.println(element); // 输出：A B C D
}
5.1.2 迭代器（Iterator）
Iterator<String> iterator = list.iterator();
while (iterator.hasNext()) { // 判断是否有下一个元素String element = iterator.next(); // 获取下一个元素System.out.println(element); // 输出：A B C D
}
5.1.3 增强for循环（for-each）
for (String element : list) { // 简化遍历语法，无需索引System.out.println(element); // 输出：A B C D
}
5.1.4 Lambda表达式（Java 8+）
list.forEach(element -> System.out.println(element)); // 输出：A B C D
// 或简化为方法引用
list.forEach(System.out::println);

5.2 删除元素时的并发修改异常及解决方案

并发修改异常原因：集合在遍历过程中，若通过集合自身的remove()方法修改元素数量（如删除），会导致迭代器的修改次数标记与集合实际修改次数不一致，触发异常。

5.2.1 有索引集合（如ArrayList）的删除解决方案

场景：删除集合中所有" B "元素（原集合：[“A”, “B”, “B”, “C”]）。

  • 错误方式：正序遍历+集合remove()
  for (int i = 0; i < list.size(); i++) {if ("B".equals(list.get(i))) {list.remove(i); // 删除后集合长度变化，导致后续元素漏判}}// 结果：删除第一个"B"后，索引i=1的元素变为原索引2的"B"，但i自增为2，漏删第二个"B"
  • 正确方式1：正序遍历+i--（删除后回退索引）
  for (int i = 0; i < list.size(); i++) {if ("B".equals(list.get(i))) {list.remove(i); i--; // 删除后索引回退，避免漏判}}// 结果：成功删除所有"B"，集合变为["A", "C"]
  • 正确方式2：倒序遍历（从后往前删，不影响前面元素索引）
  for (int i = list.size() - 1; i >= 0; i--) {if ("B".equals(list.get(i))) {list.remove(i); // 后面元素删除不影响前面元素索引}}// 结果：成功删除所有"B"，集合变为["A", "C"]
5.2.2 无索引集合（如Set）的删除解决方案

场景：删除HashSet中所有" B "元素（原集合：[“A”, “B”, “C”]）。

  • 错误方式：增强for循环+集合remove()
  for (String element : set) {if ("B".equals(element)) {set.remove(element); // 触发ConcurrentModificationException}}
  • 正确方式：迭代器的remove()方法（唯一解决方案）
  Iterator<String> iterator = set.iterator();while (iterator.hasNext()) {String element = iterator.next();if ("B".equals(element)) {iterator.remove(); // 使用迭代器自带的删除方法，不会触发异常}}// 结果：成功删除"B"，集合变为["A", "C"]
5.2.3 增强for和Lambda遍历的局限性

增强for循环（for-each）和Lambda表达式遍历仅适合读取元素，不适合同时增删元素。因为它们底层依赖迭代器，但不允许通过集合自身方法修改元素数量，否则必然触发并发修改异常。

6. ArrayList和LinkedList的区别

ArrayList和LinkedList是List接口的两个核心实现类，它们的底层结构、特点和应用场景有显著差异。

6.1 核心区别对比

对比维度ArrayListLinkedList
底层结构动态数组（可扩容的数组）双向链表（每个节点包含前后指针）
查询效率高（通过索引直接访问，O(1)）低（需从头/尾遍历，O(n)）
增删效率中间增删低（需移动元素，O(n)）中间增删高（仅需修改指针，O(1)）
内存占用低（仅存储元素值）高（每个元素需额外存储前后指针）
特有方法无（依赖List接口方法）addFirst()/addLast()/removeFirst()/removeLast()等首尾操作方法

6.2 LinkedList的首尾操作特有方法

LinkedList因链表结构，新增了直接操作首尾元素的方法，效率极高（O(1)）：

LinkedList<String> linkedList = new LinkedList<>();
linkedList.addFirst("头部元素"); // 添加到链表头部
linkedList.addLast("尾部元素"); // 添加到链表尾部
String first = linkedList.getFirst(); // 获取头部元素
String last = linkedList.getLast(); // 获取尾部元素
String removedFirst = linkedList.removeFirst(); // 删除并返回头部元素
String removedLast = linkedList.removeLast(); // 删除并返回尾部元素

6.3 LinkedList的应用场景

6.3.1 队列（FIFO：先进先出）

队列是一种特殊的线性表，仅允许在队尾添加元素、在队头删除元素。LinkedList的addLast()（入队）和removeFirst()（出队）方法完美适配队列操作：

// 模拟队列：添加元素到尾部，删除元素从头部
LinkedList<String> queue = new LinkedList<>();
queue.addLast("任务1"); // 入队
queue.addLast("任务2");
String task = queue.removeFirst(); // 出队，返回"任务1"
6.3.2 栈（LIFO：后进先出）

栈是一种特殊的线性表，仅允许在栈顶添加和删除元素。LinkedList的addLast()（入栈）和removeLast()（出栈）方法可模拟栈操作：

// 模拟栈：添加和删除元素都在尾部（栈顶）
LinkedList<String> stack = new LinkedList<>();
stack.addLast("元素1"); // 入栈
stack.addLast("元素2");
String top = stack.removeLast(); // 出栈，返回"元素2"（最后入栈的元素先出）

7. Set系列集合的特点（含LinkedHashSet）

Set系列集合的核心特点是无序、不可重复，但不同实现类的"无序"定义不同（HashSet完全无序，LinkedHashSet保留插入顺序，TreeSet按排序顺序）。以下详细介绍HashSet、LinkedHashSet、TreeSet的特点及实现原理。

7.1 Set系列集合的整体特点

实现类底层结构有序性去重机制线程安全
HashSet哈希表（数组+链表/红黑树）完全无序（存储顺序≠遍历顺序）基于hashCode()和equals()否
LinkedHashSet哈希表+双向链表有序（插入顺序=遍历顺序）同HashSet（继承自HashSet）否
TreeSet红黑树（平衡二叉树）有序（自然排序/定制排序）基于比较器（Comparable/Comparator）否

7.2 LinkedHashSet的特点与实现原理

7.2.1 核心特点
  • 有序性：通过内部维护的双向链表记录元素的插入顺序，遍历元素时严格按照插入顺序输出。
  • 唯一性：继承自HashSet，因此保留HashSet的去重机制（基于hashCode()和equals()）。
  • 性能：插入/删除效率略低于HashSet（因需额外维护链表），但遍历效率高于HashSet（无需随机访问哈希表）。
7.2.2 实现原理

LinkedHashSet继承自HashSet，其构造方法会调用HashSet的一个特殊构造方法，创建一个LinkedHashMap实例（HashSet底层实际是HashMap，LinkedHashSet底层实际是LinkedHashMap）：

// LinkedHashSet的构造方法
public LinkedHashSet() {super(16, 0.75f, true); // 调用HashSet的构造方法，第三个参数为true表示使用LinkedHashMap
}// HashSet中对应的构造方法
HashSet(int initialCapacity, float loadFactor, boolean dummy) {map = new LinkedHashMap<>(initialCapacity, loadFactor); // 底层创建LinkedHashMap
}

LinkedHashMap在HashMap的基础上，为每个元素增加了before和after指针，形成双向链表，从而记录插入顺序。

7.2.3 代码案例：LinkedHashSet的有序性和去重性
import java.util.LinkedHashSet;public class LinkedHashSetDemo {public static void main(String[] args) {LinkedHashSet<String> linkedHashSet = new LinkedHashSet<>();linkedHashSet.add("C");linkedHashSet.add("A");linkedHashSet.add("B");linkedHashSet.add("A"); // 重复元素，会被去重// 遍历集合，观察顺序for (String element : linkedHashSet) {System.out.print(element + " "); // 输出：C A B（与插入顺序一致，且"A"只出现一次）}}
}

7.3 HashSet的实现原理和去重机制

7.3.1 JDK8前后的实现原理对比
版本底层结构（数组+链表/红黑树）链表转红黑树阈值
JDK8之前数组+单向链表（元素哈希冲突时，在数组位置后追加链表）无（始终用链表）
JDK8及之后数组+链表+红黑树（当链表长度>8且数组容量≥64时，链表转为红黑树）链表长度>8
7.3.2 去重机制

HashSet通过以下步骤保证元素唯一性：

  1. 调用元素的hashCode()方法计算哈希值，确定在哈希表中的存储位置。
  2. 若该位置为空，直接存入元素。
  3. 若该位置不为空，调用equals()方法比较元素内容：
    • 若equals()返回true（内容相同），视为重复元素，不存入。
    • 若equals()返回false（内容不同但哈希冲突），存入链表/红黑树。

注意：若两个对象内容相同但hashCode()返回不同值，HashSet会视为不同元素（未去重）。
解决方案：重写hashCode()和equals()方法，使内容相同的对象返回相同哈希值且equals()返回true。

代码案例：重写hashCode()和equals()实现对象去重

import java.util.HashSet;class Student {private String name;private int age;public Student(String name, int age) {this.name = name;this.age = age;}// 重写equals()：比较对象内容（name和age）@Overridepublic boolean equals(Object o) {if (this == o) return true;if (o == null || getClass() != o.getClass()) return false;Student student = (Student) o;return age == student.age && name.equals(student.name);}// 重写hashCode()：基于name和age计算哈希值@Overridepublic int hashCode() {return 31 * name.hashCode() + age; // 31是质数，减少哈希冲突}
}public class HashSetDemo {public static void main(String[] args) {HashSet<Student> students = new HashSet<>();students.add(new Student("张三", 18));students.add(new Student("张三", 18)); // 内容相同，会被去重System.out.println(students.size()); // 输出：1（去重成功）}
}

7.4 TreeSet的排序机制

TreeSet是唯一可排序的Set实现类，排序方式分为自然排序和定制排序，核心依赖比较器接口。

7.4.1 自然排序（实现Comparable接口）

让元素类实现Comparable接口，重写compareTo()方法定义排序规则：

import java.util.TreeSet;class Person implements Comparable<Person> {private String name;private int age;public Person(String name, int age) {this.name = name;this.age = age;}// 重写compareTo()：按年龄升序排序@Overridepublic int compareTo(Person o) {return this.age - o.age; // 返回负数：当前对象在前；正数：当前对象在后；0：视为重复元素}
}public class TreeSetNaturalSort {public static void main(String[] args) {TreeSet<Person> treeSet = new TreeSet<>();treeSet.add(new Person("张三", 20));treeSet.add(new Person("李四", 18));treeSet.add(new Person("王五", 22));// 遍历集合，按年龄升序输出for (Person p : treeSet) {System.out.println(p.age); // 输出：18 20 22（自然排序结果）}}
}
7.4.2 定制排序（使用Comparator比较器）

创建TreeSet时传入Comparator接口实现类，自定义排序规则（无需修改元素类）：

import java.util.Comparator;
import java.util.TreeSet;public class TreeSetCustomSort {public static void main(String[] args) {// 创建TreeSet时传入Comparator比较器，按年龄降序排序TreeSet<Person> treeSet = new TreeSet<>(new Comparator<Person>() {@Overridepublic int compare(Person o1, Person o2) {return o2.age - o1.age; // 降序：后一个对象年龄 - 前一个对象年龄}});treeSet.add(new Person("张三", 20));treeSet.add(new Person("李四", 18));treeSet.add(new Person("王五", 22));for (Person p : treeSet) {System.out.println(p.age); // 输出：22 20 18（定制排序结果）}}
}
http://www.dtcms.com/a/324555.html

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