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从”0“开始学JAVA——第九节下泛型和集合框架

news 2025/8/22 7:41:42

上一节我们介绍了泛型的概念、集合框架的两大根接口——Collection（单列集合）接口、Map（双列集合）接口，以及Collection接口下的两个重要的子接口——List接口和Set接口，除此之外还举例了这几个接口的常用方法。

那么这一节，我们一起来了解一下List接口、Set接口、Map接口下的几个常用实现类以及TreeSet中的两种排序方法——Comparable（自然排序）、Comparator（比较器排序）：

第一部分：List接口下的实现类

1. ArrayList

特点特性：
- 底层实现：基于动态数组（Object[] elementData）。
- 线程安全：否。非同步，多线程环境下不安全。
- 元素访问：支持随机访问（通过索引），实现了 RandomAccess 标记接口。
- 扩容机制：当数组容量不足时，会自动扩容（通常是增加为原来的1.5倍）。这是一个相对耗时的操作。
优点：
- 查询效率高（get(int index), set(int index, E element)）。因为数组在内存中是连续存储的，通过索引可以直接计算出内存地址，时间复杂度为 O(1)。
缺点：
- 增删效率较低（除非在尾部操作）。在列表中间进行插入（add(int index, E element)）或删除（remove(int index)）操作时，需要移动后续的所有元素，平均时间复杂度为 O(n)。
适用场景：
- 查询操作远多于增删操作的场景。
- 例如：商品列表展示、配置文件读取、学生管理系统（学期开始录入后，主要以查询为主）。

2. LinkedList

特点特性：
- 底层实现：基于双向链表数据结构。
- 线程安全：否。
- 元素访问：不支持高效随机访问。需要从链表头或尾开始遍历，平均时间复杂度为 O(n)。
优点：
- 增删效率高。在已知位置（例如通过listIterator获得的位置）进行插入和删除操作，只需要修改相邻节点的指针，时间复杂度为 O(1)。特别适合在列表中间进行频繁的增删。
- 天然支持队列操作。实现了 Deque 接口，可以很方便地作为栈、队列、双端队列使用。
缺点：
- 查询效率低。按索引访问元素需要遍历，时间复杂度为 O(n)。
- 内存占用略高，因为每个节点都需要存储前后节点的指针。
适用场景：
- 增删操作远多于查询操作的场景。
- 需要实现队列、栈等数据结构。
- 例如：浏览器的前进后退历史记录、消息队列、LRU缓存。

3. Vector

特点特性：
- 底层实现：和 ArrayList 一样，基于动态数组。
- 线程安全：是。其几乎所有方法都使用了 synchronized 关键字修饰，保证了同步访问。
优点：
- 线程安全。
缺点：
- 性能低下。由于方法同步带来的锁开销，效率远低于 ArrayList。
- 作为早期JDK的类，其API设计不够现代（如枚举遍历）。
适用场景：
- 已过时，不推荐在新代码中使用。
- 如果需要线程安全的列表，应使用 Collections.synchronizedList(new ArrayList<>()) 或 java.util.concurrent.CopyOnWriteArrayList。

实现类	直接继承的类	直接实现的接口
`ArrayList`	`AbstractList`	`List`, `RandomAccess`（标记接口）, `Cloneable`, `java.io.Serializable`
`LinkedList`	`AbstractSequentialList`（而它又继承自 `AbstractList`）	`List`, `Deque`, `Cloneable`, `java.io.Serializable`
`Vector`	`AbstractList`	`List`, `RandomAccess`（标记接口）, `Cloneable`, `java.io.Serializable`

第二部分：Set接口下的实现类

1. HashSet

特点特性：
- 底层实现：基于 HashMap 实现，实际上就是使用 HashMap 的 Key 来存储元素，Value 是一个固定的 Object 常量。
- 元素顺序：不保证顺序，特别是它不保证顺序恒久不变。
- 线程安全：否。
- 允许元素：允许 null 元素。
优点：
- 添加、删除、查找（add, remove, contains）效率极高，时间复杂度为 O(1)。性能是 Set 实现中最好的。
缺点：
- 无序。
适用场景：
- 需要快速去重且不关心元素顺序的场合。
- 例如：存储黑名单ID、快速判断某个元素是否存在。

2. LinkedHashSet

特点特性：
- 底层实现：继承自 HashSet，但基于 LinkedHashMap 实现。
- 元素顺序：维护了一个运行于所有条目的双向链表，保证了元素的插入顺序（Insertion-Order）。
- 线程安全：否。
优点：
- 既拥有了 HashSet 的查询效率，又保证了迭代顺序。
缺点：
- 由于需要维护链表，性能略低于 HashSet，但迭代访问时比 HashSet 更快。
适用场景：
- 需要去重，且需要保持元素添加顺序的场景。
- 例如：缓存需要按访问顺序淘汰（可实现LRU）、记录用户操作序列（去重且有序）。

3. TreeSet

特点特性：
- 底层实现：基于 TreeMap 实现，使用红黑树数据结构。
- 元素顺序：元素不是按插入顺序排序，而是根据元素的自然顺序（实现 Comparable 接口）或者构造时提供的 Comparator（比较器） 进行排序。
- 线程安全：否。
- 允许元素：不允许 null 元素（取决于使用的比较器，如果使用自然排序，则不允许）。
优点：
- 元素自动排序，并且提供了很多按顺序访问的方法（如 first(), last(), headSet(), tailSet()）。
缺点：
- 添加、删除、查找操作的时间复杂度为 O(log n)，比 HashSet 和 LinkedHashSet 慢。
适用场景：
- 需要元素去重且自动排序的场景。
- 例如：存储成绩列表并自动按分数从高到低排序、维护一个有序的单词列表。

实现类	直接继承的类	直接实现的接口
`HashSet`	`AbstractSet`	`Set`, `Cloneable`, `java.io.Serializable`
`LinkedHashSet`	`HashSet`（它又继承自 `AbstractSet`）	`Set`, `Cloneable`, `java.io.Serializable`
`TreeSet`	`AbstractSet`	`NavigableSet`（而它又继承自 `SortedSet`）

第三部分：Map接口下的实现类

1. HashMap

特点特性：
- 底层实现：基于数组+链表+红黑树（JDK1.8+）。
- 元素顺序：不保证顺序。
- 线程安全：否。
- 允许键值：允许 null 键和 null 值。
优点：
- 查询、插入、删除效率极高，在理想情况下（哈希函数均匀分布）时间复杂度为 O(1)。是最常用的 Map。
缺点：
- 无序。
适用场景：
- 绝大多数键值对存储场景，无需排序，无需线程安全。
- 例如：存储用户ID和用户信息、Web请求参数键值对。

2. Hashtable

特点特性：
- 底层实现：和 HashMap 类似，基于哈希表。
- 线程安全：是。方法使用 synchronized 修饰。
- 允许键值：不允许 null 键或 null 值。
优点：
- 线程安全。
缺点：
- 性能低下，已过时。
适用场景：
- 已过时，不推荐使用。替代方案是 ConcurrentHashMap。

3. LinkedHashMap

特点特性：
- 底层实现：继承自 HashMap，在其基础上增加了一条双向链表来维护所有 Entry 的顺序。
- 元素顺序：默认按插入顺序（Insertion-Order） 迭代。如果在构造时指定 accessOrder 为 true，则会按访问顺序（Access-Order） 排序（LRU算法的基础）。
- 线程安全：否。
优点：
- 保证了迭代顺序，迭代速度比 HashMap 快。
缺点：
- 性能略低于 HashMap。
适用场景：
- 需要保持键值对插入顺序或访问顺序的场景。
- 例如：实现 LRU（最近最少使用）缓存、记录操作日志（按时间顺序）。

4. TreeMap

特点特性：
- 底层实现：基于红黑树。
- 元素顺序：根据键的自然顺序或构造时提供的 Comparator 进行排序。
- 线程安全：否。
- 允许键值：不允许 null 键（如果使用自然排序）。
优点：
- 键自动排序，并提供了一系列基于顺序的导航方法（如 firstKey(), lowerKey()）。
缺点：
- 操作的时间复杂度为 O(log n)。
适用场景：
- 需要按键排序的映射场景。
- 例如：字典应用程序、按部门编号排序的员工信息。

实现类	直接继承的类	直接实现的接口
`HashMap`	`AbstractMap`	`Map`, `Cloneable`, `java.io.Serializable`
`LinkedHashMap`	`HashMap`（它又继承自 `AbstractMap`）	`Map`
`Hashtable`	`Dictionary`（一个已过时的抽象类）	`Map`, `Cloneable`, `java.io.Serializable`
`TreeMap`	`AbstractMap`	`NavigableMap`（而它又继承自 `SortedMap`）

第四部分：TreeSet的排序机制详解

TreeSet 的所有排序功能都依赖于其底层的 TreeMap。要保证 TreeSet 能正确地对添加的元素进行排序，有两种方式：

1. 自然排序（Comparable）

机制：让添加到 TreeSet 中的元素类实现 java.lang.Comparable 接口，并重写其 compareTo(Object o) 方法。该方法定义了对象之间的自然比较规则。
compareTo 方法重写规则：
- this（当前对象） > 参数对象 o：返回正整数
- this == 参数对象 o：返回 0（TreeSet 会认为这是重复元素，无法添加）
- this < 参数对象 o：返回负整数
示例：

Student基础类：

测试类：

运行结果：

2. 比较器排序（Comparator）

机制：在创建 TreeSet 时，传入一个实现了 java.util.Comparator 接口的比较器对象。该方式更加灵活，它不需要修改元素类本身，并且可以为同一个类定义多种不同的排序规则。
compare 方法重写规则：
- 参数 o1 > 参数 o2：返回正整数
- o1 == o2：返回 0
- o1 < o2：返回负整数
示例：

Student基础类：

测试类：

运行结果：

特性	自然排序 (Comparable)	比较器排序 (Comparator)
耦合度	高，排序规则定义在类内部	低，排序规则定义在类外部
灵活性	差，一个类只能有一种自然顺序	高，可以轻松创建多种不同的排序规则
适用场景	类有明显的、唯一的自然顺序（如`String`, `Integer`）	1. 类没有实现`Comparable` 2. 想覆盖类的自然顺序 3. 需要为同一个类提供多种排序方式