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Java 工具类详解：Arrays、Collections、Objects 一篇通关

news 2025/10/12 10:31:18

在 Java 开发中，数组、集合和对象是我们每天都会打交道的核心元素。为了简化这些元素的操作，JDK 提供了三个超实用的工具类：Arrays（数组操作）、Collections（集合操作）、Objects（对象工具）。它们就像 "瑞士军刀"，封装了大量常用功能，能帮我们少写几百行代码。今天就带大家深入剖析这三个工具类的核心用法、底层逻辑和避坑指南，配上直观图解，让你一次掌握！

一、Arrays：数组操作的 "全能助手"

数组是 Java 中最基础的数据结构，但原生数组的操作（排序、查找、复制等）并不方便。java.util.Arrays类专门为数组提供了一系列静态方法，让数组操作变得简单高效。

1. 核心功能：排序、查找、填充、复制

（1）排序：sort()—— 让数组有序化

Arrays.sort()支持对各种类型的数组进行排序，底层根据数组类型选择不同算法（基本类型用双轴快速排序，对象类型用 TimSort）。

// 基本类型数组排序
int[] nums = {3, 1, 4, 1, 5};
Arrays.sort(nums);  // 排序后：[1, 1, 3, 4, 5]// 对象数组排序（需实现Comparable或传入Comparator）
String[] strs = {"apple", "banana", "cherry"};
Arrays.sort(strs);  // 按自然顺序排序：[apple, banana, cherry]// 指定范围排序（从索引1到4，左闭右开）
int[] arr = {5, 3, 8, 2, 7};
Arrays.sort(arr, 1, 4);  // 排序后：[5, 2, 3, 8, 7]
（2）查找：binarySearch()—— 快速定位元素

二分查找必须在已排序的数组中使用，返回元素索引（未找到则返回负数）。

int[] nums = {1, 3, 5, 7, 9};
int index = Arrays.binarySearch(nums, 5);  // 返回2（找到）
int notFound = Arrays.binarySearch(nums, 4);  // 返回-3（未找到，插入点为2）
（3）填充：fill()—— 批量设置元素值

快速将数组的指定范围填充为同一个值，适合初始化数组。

int[] arr = new int[5];
Arrays.fill(arr, 10);  // 全部填充10：[10, 10, 10, 10, 10]// 填充指定范围
Arrays.fill(arr, 1, 3, 20);  // 索引1-2填充20：[10, 20, 20, 10, 10]
（4）复制：copyOf()与arraycopy()—— 数组克隆与截取
  • copyOf()：从原数组开头复制指定长度（新数组长度可大于原数组，多余部分补默认值）。
  • arraycopy()：从原数组指定位置复制到目标数组（更灵活，需手动创建目标数组）。
int[] original = {1, 2, 3, 4, 5};// copyOf：复制前3个元素
int[] copy1 = Arrays.copyOf(original, 3);  // [1, 2, 3]// arraycopy：从原数组索引1复制2个元素到目标数组索引0
int[] copy2 = new int[2];
System.arraycopy(original, 1, copy2, 0, 2);  // copy2：[2, 3]

2. 实用功能：数组转集合与内容比较

（1）asList()：数组转 List 集合

将数组转换为List，但注意：返回的是Arrays.ArrayList（Arrays 的内部类），不支持添加 / 删除元素（会抛UnsupportedOperationException）。

String[] strs = {"a", "b", "c"};
List<String> list = Arrays.asList(strs);list.set(0, "x");  // 支持修改元素
// list.add("d");  // 报错：UnsupportedOperationException

坑点：如果传入基本类型数组，asList()会将整个数组当作一个元素（因为泛型不支持基本类型）。例如int[]转 List 会得到List<int[]>，而非List<Integer>。解决办法：用包装类数组（Integer[]）。

（2）equals()与deepEquals()：数组内容比较
  • equals()：比较一维数组的元素是否完全相同（基本类型比较值，对象比较引用）。
  • deepEquals()：用于多维数组比较（递归比较嵌套数组的内容）。
int[] a = {1, 2};
int[] b = {1, 2};
System.out.println(Arrays.equals(a, b));  // true（内容相同）int[][] c = {{1, 2}, {3, 4}};
int[][] d = {{1, 2}, {3, 4}};
System.out.println(Arrays.equals(c, d));  // false（二维数组用equals比较引用）
System.out.println(Arrays.deepEquals(c, d));  // true（深层比较内容）

3. Arrays 功能图解

二、Collections：集合操作的 "瑞士军刀"

java.util.Collections是针对集合框架（List、Set、Map）的工具类，提供了排序、查找、同步控制、不可变集合等实用功能，与Arrays遥相呼应。

1. 核心功能：排序、查找、反转

（1）排序：sort()——List 排序神器

与Arrays.sort()类似，但专门用于List集合，支持自然排序和自定义比较器。

List<Integer> list = new ArrayList<>(Arrays.asList(3, 1, 4));
Collections.sort(list);  // 自然排序：[1, 3, 4]// 自定义比较器（降序）
Collections.sort(list, (a, b) -> b - a);  // [4, 3, 1]
（2）查找：binarySearch()与indexOfSubList()
  • binarySearch()：在已排序的 List 中查找元素（同 Arrays，依赖排序）。
  • indexOfSubList()：查找子列表在父列表中的起始索引（未找到返回 - 1）。
List<String> list = Arrays.asList("a", "b", "c", "d");
int index = Collections.binarySearch(list, "c");  // 返回2List<String> subList = Arrays.asList("b", "c");
int subIndex = Collections.indexOfSubList(list, subList);  // 返回1（子列表从索引1开始）
（3）反转与打乱：reverse()与shuffle()
  • reverse()：反转 List 中元素的顺序。
  • shuffle()：随机打乱元素顺序（适合洗牌、随机抽样场景）。
List<Integer> list = new ArrayList<>(Arrays.asList(1, 2, 3, 4));
Collections.reverse(list);  // [4, 3, 2, 1]Collections.shuffle(list);  // 随机顺序，如[2, 4, 1, 3]

2. 进阶功能：同步集合与不可变集合

（1）同步集合：synchronizedXxx()—— 线程安全的集合

为非线程安全的集合（如 ArrayList、HashMap）生成线程安全的版本（通过包装器实现，底层用synchronized加锁）。

// 创建线程安全的List
List<String> syncList = Collections.synchronizedList(new ArrayList<>());
// 创建线程安全的Map
Map<String, Integer> syncMap = Collections.synchronizedMap(new HashMap<>());

注意：同步集合是 "粗粒度" 锁，性能较低，高并发场景建议用java.util.concurrent包下的并发集合（如 ConcurrentHashMap）。

（2）不可变集合：unmodifiableXxx()—— 只读集合

创建不可修改的集合（禁止添加、删除、修改元素），适合保护数据不被篡改。

List<String> original = new ArrayList<>(Arrays.asList("a", "b"));
List<String> unmodifiable = Collections.unmodifiableList(original);// unmodifiable.add("c");  // 报错：UnsupportedOperationException
original.add("c");  // 原集合修改，不可变集合也会同步变化（注意！）

更彻底的不可变集合：用List.of()（Java 9+），原集合修改不影响不可变集合，且性能更好。

3. 其他实用方法

  • fill(list, obj)：用指定对象填充 List（覆盖所有元素）。
  • max(collection)/min(collection)：获取集合中的最大 / 小元素（依赖排序）。
  • frequency(collection, obj)：统计元素在集合中出现的次数。
  • swap(list, i, j)：交换 List 中两个索引的元素。

4. Collections 功能图解

三、Objects：对象操作的 "安全卫士"

java.util.Objects（Java 7+）是处理对象的工具类，封装了对象的比较、空值判断、哈希计算等常用操作，尤其擅长避免NullPointerException（空指针异常）。

1. 核心功能：空值处理与对象比较

（1）空值判断：isNull()与nonNull()

简化null判断，比obj == null更直观。

String str = null;
System.out.println(Objects.isNull(str));  // true（是否为null）
System.out.println(Objects.nonNull(str));  // false（是否不为null）
（2）非空校验：requireNonNull()—— 快速失败

在方法入参校验时使用，若对象为null则立即抛出NullPointerException，避免后续逻辑出错。

public void process(String str) {// 校验参数非空，为空则抛异常Objects.requireNonNull(str, "参数str不能为null");// 后续逻辑...
}
（3）对象比较：equals()与deepEquals()
  • equals(a, b)：安全比较两个对象是否相等（避免a.equals(b)中a为null的问题）。
  • deepEquals(a, b)：深度比较（适合数组或对象引用的嵌套结构）。
String a = "hello";
String b = "hello";
String c = null;// 安全比较，避免空指针
System.out.println(Objects.equals(a, b));  // true
System.out.println(Objects.equals(a, c));  // false（c为null时不报错）// 深度比较数组
int[] arr1 = {1, 2};
int[] arr2 = {1, 2};
System.out.println(Objects.equals(arr1, arr2));  // false（数组引用不同）
System.out.println(Objects.deepEquals(arr1, arr2));  // true（内容相同）

2. 其他实用方法

  • hash(obj...)：计算多个对象的哈希值（比手动计算更方便，支持可变参数）。
    int hash = Objects.hash("a", 123, true);  // 组合哈希值
  • toString(obj)：安全获取对象的字符串表示（对象为null时返回 "null"，而非抛异常）。
    String str = null;
System.out.println(Objects.toString(str));  // "null"
System.out.println(Objects.toString(str, "默认值"));  // "默认值"（自定义null时的返回值）
  • compare(a, b, comparator)：使用比较器比较两个对象（支持null，默认null小于非 null）。

3. Objects 功能图解

四、总结：三大工具类的核心价值

工具类核心场景最常用方法避坑要点
Arrays数组排序、查找、复制sort()、binarySearch()、copyOf()asList()返回的 List 不可修改；基本类型数组转集合需用包装类
Collections集合排序、同步、不可变sort()、synchronizedList()、reverse()同步集合性能低，高并发用并发集合；不可变集合依赖原集合
Objects对象空值处理、比较isNull()、equals()、requireNonNull()equals()与deepEquals()的区别；toString()的 null 安全

这三个工具类的设计思想是 "封装共性操作，减少重复代码"。熟练掌握它们，不仅能提升开发效率，还能避免手动实现时的潜在 bug（如空指针、排序算法错误）。记住：JDK 自带的工具类往往经过了充分优化和测试，优先使用它们，而不是重复造轮子！

最后，建议大家多翻 JDK 源码（比如Arrays.sort()的实现、Objects.equals()的空值处理逻辑），深入理解底层原理，才能真正做到灵活运用。

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