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Java 的集合框架（Java Collections Framework, JCF）是 Java 中用于存储和操作数据结构的核心库，提供了丰富的接口和实现类，用于处理不同类型的集合数据。以下是详细的介绍：

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一、集合框架的体系结构

Java 集合主要分为两大接口：

1. Collection 接口：存储单一元素。
   • 子接口：List（有序可重复）、Set（无序不可重复）、Queue（队列）。
2. Map 接口：存储键值对（Key-Value）。

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二、Collection 接口及实现类

1. List（有序、可重复）

• 特点：元素按插入顺序存储，允许重复。
• 常用实现类：
  • ArrayList：
    • 基于动态数组实现，支持快速随机访问（通过索引）。
    • 初始容量为 10，扩容时增长 50%（newCapacity = oldCapacity + oldCapacity >> 1）。
    • 线程不安全，适用于读多写少的场景。
  • LinkedList：
    • 基于双向链表实现，插入和删除效率高（时间复杂度 O(1)）。
    • 支持队列（Queue）和双端队列（Deque）操作。
  • Vector（已过时）：
    • 线程安全的动态数组，所有方法用 synchronized 修饰，性能较差。
    • 替代方案：使用 Collections.synchronizedList(new ArrayList<>()) 或 CopyOnWriteArrayList（并发场景）。

2. Set（无序、不可重复）

• 特点：元素唯一，不保证顺序。
• 常用实现类：
  • HashSet：
    • 基于 HashMap 实现，元素存储在键的位置（值用 PRESENT 对象占位）。
    • 依赖 hashCode() 和 equals() 保证唯一性。
    • 时间复杂度：添加、删除、查询均为 O(1)。
  • LinkedHashSet：
    • 继承 HashSet，内部通过链表维护插入顺序。
    • 适合需要按插入顺序遍历的场景。
  • TreeSet：
    • 基于红黑树（TreeMap）实现，元素按自然顺序或自定义 Comparator 排序。
    • 时间复杂度：添加、删除、查询均为 O(log n)。

3. Queue（队列）

• 特点：先进先出（FIFO）或优先级的元素处理。
• 常用实现类：
  • LinkedList：可作为普通队列使用。
  • PriorityQueue：
    • 基于堆结构实现，元素按优先级排序。
    • 自然顺序或通过 Comparator 定义顺序。
  • ArrayDeque：
    • 基于循环数组实现的双端队列，适合高效的头尾操作。

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三、Map 接口及实现类

• 特点：键值对存储，键唯一。
• 常用实现类：
  • HashMap：
    • 基于数组+链表/红黑树（Java 8+），键的哈希值决定存储位置。
    • 允许 null 键和 null 值，线程不安全。
    • 扩容机制：默认容量 16，负载因子 0.75（容量达到阈值时扩容为 2 倍）。
  • LinkedHashMap：
    • 继承 HashMap，通过链表维护插入顺序或访问顺序（LRU 缓存）。
  • TreeMap：
    • 基于红黑树实现，键按自然顺序或自定义 Comparator 排序。
  • Hashtable（已过时）：
    • 线程安全的哈希表，被 ConcurrentHashMap 取代。
  • ConcurrentHashMap：
    • 分段锁（Java 7）或 CAS + synchronized（Java 8+）实现高并发。
    • 推荐替代 Hashtable 用于多线程场景。

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四、工具类 Collections

提供对集合的常用操作：

• 排序：Collections.sort(list)
• 线程安全包装：Collections.synchronizedList(list)
• 不可变集合：Collections.unmodifiableList(list)
• 查找极值：Collections.max(collection)

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五、迭代器 Iterator

• 作用：遍历集合元素。
• fail-fast 机制：
  • 在遍历过程中检测到集合被修改（如 add/remove），立即抛出 ConcurrentModificationException。
  • 适用于 ArrayList、HashMap 等非线程安全集合。
• fail-safe 机制：
  • 遍历时对原集合的修改不影响迭代器（如 ConcurrentHashMap 的迭代器）。

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六、Java 8+ 新特性

1. Lambda 表达式与集合：

   list.forEach(element -> System.out.println(element));
   

2. Stream API：

   list.stream().filter(e -> e > 5).map(e -> e * 2).collect(Collectors.toList());
   

3. HashMap 优化：
   • 当链表长度 ≥ 8 时转换为红黑树，提高查询效率。

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七、如何选择集合类？

• 需要唯一性：Set（HashSet、TreeSet）。
• 需要有序性：List（ArrayList、LinkedList）。
• 键值对存储：Map（HashMap、ConcurrentHashMap）。
• 多线程环境：ConcurrentHashMap、CopyOnWriteArrayList。
• 排序需求：TreeSet、TreeMap。

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八、示例代码

// List 示例
List<String> arrayList = new ArrayList<>();
arrayList.add("Java");
arrayList.add("Python");// Set 示例
Set<Integer> hashSet = new HashSet<>();
hashSet.add(1);
hashSet.add(2);// Map 示例
Map<String, Integer> hashMap = new HashMap<>();
hashMap.put("Apple", 10);
hashMap.put("Banana", 20);// 使用 Stream 过滤
List<Integer> numbers = Arrays.asList(1, 2, 3, 4, 5);
List<Integer> evenNumbers = numbers.stream().filter(n -> n % 2 == 0).collect(Collectors.toList());

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通过理解集合框架的结构和特性，可以更高效地选择适合业务场景的数据结构。