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《Java集合框架核心解析》

news 2025/9/17 9:15:21

Java 集合框架是 Java 编程中存储和操作数据的核心工具，为我们提供了丰富的数据结构实现.本文将围绕Collection接口下的List、Set、Queue 三大分支，深入解析各核心实现类的特性、数据结构及适用场景，帮助大家更好地理解和运用 Java 集合。

一、List 接口（有序可重复） 

（一）ArrayList 

ArrayList 基于动态数组存储元素，是日常开发中最常用的 List 实现。

  • 底层存储：
    transient Object[] elementData; // 存储元素的数组，transient修饰避免无意义序列化
private int size; // 集合中元素的实际个数
  • 初始化与扩容：
    • 初始化时
      • 无参构造时elementData默认是长度为 0 的空数组，添加第一个元素时，数组扩容为 10。
      • 有参构造可指定初始容量。
    • 容量不足时，扩容逻辑(grow方法）：

      private void grow(int minCapacity) {int oldCapacity = elementData.length;int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1); // 新容量为原容量的1.5倍if (newCapacity - minCapacity < 0)newCapacity = minCapacity;elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity); // 数组拷贝扩容
}
  • 特点与适用场景：
    有序、允许重复元素。基于数组的结构使其随机访问，但插入、删除元素效率低，适合查找和遍历。

（二）LinkedList

LinkedList 基于双向链表实现，同时实现了Queue接口，兼具列表和队列的特性。

  • 链表节点结构：

    private static class Node<E> {E item;Node<E> next;Node<E> prev;Node(Node<E> prev, E element, Node<E> next) {this.item = element;this.next = next;this.prev = prev;}
}

    每个节点包含元素值item、前驱指针prev和后继指针next，通过指针连接形成双向链表。
  • 增删操作：
    添加或删除元素时，只需调整节点的prev和next指针，无需像数组那样移动元素。

    public boolean add(E e) {linkLast(e);return true;
}
void linkLast(E e) {final Node<E> l = last;final Node<E> newNode = new Node<>(l, e, null);last = newNode;if (l == null)first = newNode;elsel.next = newNode;size++;
}
  • 特点与适用场景：
    有序、允许重复元素。插入、删除元素效率高，但随机访问效率低，适合增删操作频繁的场景。

（三）Vector

Vector是早期 Java 提供的动态数组实现，与ArrayList类似，但具备线程安全特性。

  • 线程安全保证：
    大部分方法都用synchronized 修饰，例如add方法：

    public synchronized boolean add(E e) {modCount++;ensureCapacityHelper(elementCount + 1);elementData[elementCount++] = e;return true;
}
  • 扩容机制：
    public class CustomArrayList {// 存储元素的数组private Object[] elementData;// 集合中元素的实际个数private int size;// 自定义增长量private int capacityIncrement;// 无参构造方法，默认初始容量为 10，自定义增长量为 0（即默认按原容量的 2 倍扩容）public CustomArrayList() {this(10, 0);}// 有参构造方法，按照指定容量和自定义增长量创建数组public CustomArrayList(int initialCapacity, int capacityIncrement) {if (initialCapacity < 0) {throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: " + initialCapacity);}this.elementData = new Object[initialCapacity];this.capacityIncrement = capacityIncrement;}// 添加元素方法public boolean add(Object e) {// 检查容量是否足够，不够则扩容ensureCapacityHelper(size + 1);elementData[size++] = e;return true;}// 确保容量足够的辅助方法private void ensureCapacityHelper(int minCapacity) {if (minCapacity > elementData.length) {// 执行扩容grow(minCapacity);}}// 扩容方法private void grow(int minCapacity) {int oldCapacity = elementData.length;// 计算新容量：如果自定义增长量大于 0，就用原容量 + 自定义增长量；否则用原容量的 2 倍int newCapacity = oldCapacity + ((capacityIncrement > 0) ? capacityIncrement : oldCapacity);// 如果计算后的新容量还是小于最小需要的容量，就把最小需要的容量作为新容量if (newCapacity - minCapacity < 0) {newCapacity = minCapacity;}// 数组拷贝，将原数组元素复制到新数组elementData = java.util.Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);}// 获取元素方法public Object get(int index) {if (index < 0 || index >= size) {throw new IndexOutOfBoundsException("Index: " + index + ", Size: " + size);}return elementData[index];}// 获取元素个数方法public int size() {return size;}public static void main(String[] args) {// 示例 1：使用无参构造，默认初始容量 10，扩容为原容量的 2 倍CustomArrayList list1 = new CustomArrayList();for (int i = 0; i < 20; i++) {list1.add("Element " + i);}System.out.println("list1 size: " + list1.size());// 示例 2：使用有参构造，初始容量 5，自定义增长量 3，扩容为原容量 + 3CustomArrayList list2 = new CustomArrayList(5, 3);for (int i = 0; i < 15; i++) {list2.add("Item " + i);}System.out.println("list2 size: " + list2.size());}
} 
  1. 初始化：
    • 无参构造方法CustomArrayList()调用有参构造，默认初始容量为 10，自定义增长量capacityIncrement为 0。
    • 有参构造方法CustomArrayList(int initialCapacity, int capacityIncrement)按照指定的初始容量和自定义增长量创建存储元素的数组 elementData。
  2. 扩容逻辑：
    • 在grow方法中，首先获取原数组容量oldCapacity。
    • 然后根据自定义增长量capacityIncrement计算新容量newCapacity,如果capacityIncrement > 0，新容量为oldCapacity + capacityIncrement；否则新容量为oldCapacity * 2。
    • 最后使用Arrays.copyOf方法将原数组元素复制到新数组，完成扩容。
  • 特点与适用场景：
    有序、允许重复元素且线程安全，但由于同步锁的存在，性能比 ArrayList 低。在单线程环境下推荐ArrayList，多线程且需安全时可考虑Vector。 

（四）Stack

Stack是Vector的子类，基于 栈（FILO，先进后出）数据结构。

  • 底层存储
  • public E push(E item) {addElement(item); // 调用Vector的addElement方法，添加到尾部return item;
}
public synchronized E pop() {E       obj;int     len = size();obj = peek();removeElementAt(len - 1); // 移除尾部元素return obj;
}
public synchronized E peek() {int     len = size();if (len == 0)throw new EmptyStackException();return elementAt(len - 1); // 获取尾部元素
}
  • 特点与适用场景：
    遵循 FILO 原则，适用于需要 “后进先出” 逻辑的场景（如表达式求值、括号匹配等）。

二、Set 接口（无序不重复）

（一）HashSet（基于 HashMap 的去重实现）

         HashSet底层依赖HashMap，利用哈希表保证元素不重复。

  • private transient HashMap<E,Object> map;
private static final Object PRESENT = new Object(); // 所有值都指向这个空对象

    HashSet将元素作为HashMap的键，值统一为PRESENT (节省空间）。
  • 添加元素：

    public boolean add(E e) {return map.put(e, PRESENT) == null; // HashMap的put返回旧值，若为null说明是新元素
}

    利用HashMap键的唯一性，实现Set的 “不重复” 特性。
  • 特点与适用场景：
    无序、不允许重复元素，查询效率高，适合只需去重且不关心顺序的场景。

（二）LinkedHashSet（有序的 HashSet）

LinkedHashSet继承自HashSet，内部使用LinkedHashMap，保证元素 “插入有序”。

  • 有序性保证：
    构造时传入LinkedHashSet实例：

    public LinkedHashSet() {super(new LinkedHashMap<>());
}

    LinkedHashMap通过双向链表记录元素的插入顺序，因此LinkedHashSet能保证元素遍历顺序与插入顺序一致。
  • 特点与适用场景：
    兼具HashSet的去重、高效查询特性，又能保证插入顺序，适合需要去重且关注元素添加顺序的场景。

（三）TreeSet(有序的红黑树实现)

TreeSet基于TreeMap，利用红黑树实现元素的 “自动排序”。

  • 底层关联与排序：

    private transient NavigableMap<E,Object> m;
public TreeSet() {this(new TreeMap<E,Object>());
}

    TreeMap是基于红黑树的有序映射，要求键实现Comparable接口或构造时传入Comparator，因此TreeSet中的元素会按照自然顺序或自定义比较器顺序排列。
  • 添加元素：
    依赖TreeMap的put方法，红黑树会自动调整结构以保持有序。
  • 特点与适用场景：
    自动排序（有序）、不允许重复元素，适合需要有序去重的场景（如排行榜、范围查询等）。

三、Queue 接口(先进先出的队列)

（一）LinkedList(双向链表实现的队列)

LinkedList实现了Queue 接口，基于双向链表提供队列操作。

  • 队列方法：

    public boolean offer(E e) {return add(e); // 调用List的add方法，添加到尾部
}
public E poll() {final Node<E> f = first;return (f == null) ? null : unlinkFirst(f); // 移除并返回头部元素
}
public E peek() {final Node<E> f = first;return (f == null) ? null : f.item; // 返回头部元素（不删除）
}
  • 特点与适用场景：
    遵循 FIFO（先进先出）原则，适合作为任务队列等场景的基础结构。

（二）PriorityQueue(优先级队列)

PriorityQueue基于二叉堆实现，元素按优先级出队（非严格 FIFO）。

  • 底层存储与排序：

    transient Object[] queue; // 用数组存储堆元素
private final Comparator<? super E> comparator; // 比较器，决定优先级

    通过siftUp（上浮）和siftDown（下沉）操作维护堆结构，保证每次出队的是 “优先级最高” 的元素。
  • 出队操作：

    public E poll() {if (size == 0)return null;int s = --size;modCount++;E result = (E) queue[0];E x = (E) queue[s];queue[s] = null;if (s != 0)siftDown(0, x); // 下沉调整堆return result;
}
  • 特点与适用场景：
    元素按优先级（自然顺序或自定义比较器）排列，适用于 “优先级调度” 场景（如高优先级任务先执行）。

四、单列集合总结 

集合类数据结构有序性重复性线程安全适用场景
ArrayList动态数组插入有序允许否读多写少、随机访问频繁
LinkedList双向链表插入有序允许否增删频繁、随机访问少
Vector动态数组插入有序允许是多线程安全且需动态数组场景
Stack栈（基于 Vector）FILO允许是后进先出逻辑（如表达式求值）
HashSet哈希表无序不允许否去重、不关心顺序
LinkedHashSet链表 + 哈希表插入有序不允许否去重且需插入顺序
TreeSet红黑树排序有序不允许否有序去重（如排行榜）
LinkedList（Queue）双向链表FIFO允许否先进先出队列
PriorityQueue二叉堆优先级有序允许否优先级调度（如任务队列）


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