在 Java 編程世界中，集合框架是處理數據集合的核心工具，它為我們提供了一系列高效、靈活的數據結構，幫助我們應對各種複雜的存儲與操作需求。本文將帶你係統性地學習 Java 集合體系，從接口到實現類，從基礎用法到進階技巧，讓你徹底掌握這一核心知識點。

一、集合體系總覽

Java 集合框架主要分為兩大體系：Collection 體系和Map 體系。

• Collection 體系：以Collection接口為根，強調 “單個元素” 的集合操作，包含List（有序可重複）、Set（無序不可重複）、Queue（隊列，先進先出）三大分支。
• Map 體系：以Map接口為根，強調 “鍵值對（Key-Value）” 的映射關係，用於存儲具有映射邏輯的數據。

二、Collection 集合體系深度解析

1. Collection 接口：集合的通用契約

  Collection是所有單列集合的根接口，定義了集合的通用方法，如：

• boolean add(E e)：添加元素
• boolean remove(Object o)：移除元素
• boolean contains(Object o)：判斷是否包含元素
• int size()：獲取元素個數
• Iterator<E> iterator()：獲取迭代器，用於遍歷集合

       這些方法是操作集合的基礎，所有Collection的實現類都必須遵守這些契約。

2. List 接口：有序可重複的元素序列

List接口繼承自Collection，特點是元素有序、可重複，且允許通過索引操作元素。常用實現類有ArrayList、LinkedList、Vector。

（1）ArrayList

• 底層實現：動態數組（數組擴容機制）。
• 核心特點：查詢快（基於索引的隨機訪問）、增刪慢（數組元素移動成本高）。
• 適用場景：讀多寫少的業務場景，如數據查詢、列表展示。

示例代碼：

List arrayList = new ArrayList<>();
arrayList.add("Java");
arrayList.add("Python");
arrayList.add("Java"); // 允許重複
System.out.println(arrayList.get(0)); // 輸出"Java"

（2）LinkedList

• 底層實現：雙向鏈表。
• 核心特點：查詢慢（需遍歷鏈表）、增刪快（只需修改節點引用）。
• 適用場景：寫多讀少的業務場景，如頻繁插入、刪除元素的隊列、棧結構。

示例代碼：

List linkedList = new LinkedList<>();
linkedList.add("Spring");
linkedList.add("Spring Boot");
linkedList.remove(0); // 移除第一個元素

（3）Vector

• 底層實現：動態數組（線程安全版 ArrayList）。
• 核心特點：線程安全（方法加同步鎖）、效率低。
• 適用場景：多線程環境下的集合操作（但現在更推薦Collections.synchronizedList或CopyOnWriteArrayList）。

3. Set 接口：無序不可重複的元素集合

Set接口繼承自Collection，特點是元素無序、不可重複（基於元素的equals()和hashCode()方法判斷唯一性）。常用實現類有HashSet、LinkedHashSet、TreeSet。

（1）HashSet

• 底層實現：哈希表（基於HashMap，元素作為 Map 的 Key，Value 為固定對象）。
• 核心特點：無序、去重、查詢效率高。
• 注意點：元素需正確重寫equals()和hashCode()方法，否則去重邏輯會失效。

示例代碼：

Set hashSet = new HashSet<>();
hashSet.add("Apple");
hashSet.add("Banana");
hashSet.add("Apple"); // 重複元素會被過濾
System.out.println(hashSet.size()); // 輸出2

（2）LinkedHashSet

• 底層實現：哈希表 + 鏈表（基於LinkedHashMap）。
• 核心特點：有序（插入順序）、去重、查詢效率高。
• 適用場景：需要保留插入順序的去重場景。

（3）TreeSet

• 底層實現：紅黑樹（基於TreeMap）。
• 核心特點：有序（自然排序或自定義比較器排序）、去重。
• 適用場景：需要對元素排序的去重場景。

示例代碼：

Set treeSet = new TreeSet<>();
treeSet.add(3);
treeSet.add(1);
treeSet.add(2);
System.out.println(treeSet); // 輸出[1, 2, 3]，自動排序

4. Queue 隊列接口：先進先出的數據結構

  Queue是一種 “先進先出（FIFO）” 的集合，常用於任務排隊、消息隊列等場景。常用實現類有LinkedList（同時實現 List 和 Queue）、PriorityQueue（優先隊列）。

示例代碼（隊列的入隊、出隊）：

Queue queue = new LinkedList<>();
queue.offer("Task1"); // 入隊
queue.offer("Task2");
queue.offer("Task3");
System.out.println(queue.poll()); // 出隊，輸出"Task1"

5. 集合的遍歷方式

       遍歷集合是日常開發的高頻操作，Java 提供了多種遍歷方式：

• 普通 for 循環：僅適用於List（通過索引訪問）。

for (int i = 0; i < list.size(); i++) {
    System.out.println(list.get(i));
}

• 增強 for 循環（foreach）：適用於所有Collection集合，語法簡潔。

for (String elem : set) {
    System.out.println(elem);
}

• 迭代器遍歷：分為普通迭代器Iterator和雙向迭代器ListIterator（僅List支持）。

Iterator iterator = collection.iterator();
while (iterator.hasNext()) {
    String elem = iterator.next();
    System.out.println(elem);
    // 支持遍歷中刪除元素（避免併發修改異常）
    iterator.remove();
}

6. 集合中的泛型 <E>

       泛型是 Java 的 “類型安全” 機制，用於限制集合中元素的類型，避免運行時類型轉換異常。

示例代碼：

// 泛型指定元素為String，編譯期就會檢查類型
List genericList = new ArrayList<>();
genericList.add("Hello");
// genericList.add(123); // 編譯報錯，不允許添加非String類型

7. 可變參數

       可變參數允許方法接收任意數量的同類型參數，語法為類型... 參數名，在集合操作中常用於批量添加元素。

示例代碼：

public static void addAll(List list, String... elems) {
    for (String elem : elems) {
        list.add(elem);
    }
}
// 調用
List list = new ArrayList<>();
addAll(list, "a", "b", "c");

8. 數組工具類（Arrays）

java.util.Arrays提供了數組操作的工具方法，如數組轉集合、數組排序、二分查找等。

示例代碼：

String[] arr = {"a", "b", "c"};
// 數組轉List（注意：返回的是不可變List，不能增刪元素）
List arrList = Arrays.asList(arr);
// 數組排序
int[] intArr = {3, 1, 2};
Arrays.sort(intArr);

9. 集合工具類（Collections）

java.util.Collections提供了集合操作的工具方法，如排序、查找、線程安全包裝等。

示例代碼：

List list = new ArrayList<>();
list.add(3);
list.add(1);
list.add(2);
// 排序
Collections.sort(list);
System.out.println(list); // 輸出[1, 2, 3]
// 線程安全包裝
List syncList = Collections.synchronizedList(new ArrayList<>());

三、Map 集合體系深度解析

Map是 “鍵值對” 映射的集合，鍵（Key）唯一，值（Value）可重複。常用實現類有HashMap、TreeMap、Hashtable、LinkedHashMap。

1. Map 接口的核心方法

• V put(K key, V value)：添加鍵值對
• V get(Object key)：根據鍵獲取值
• boolean containsKey(Object key)：判斷是否包含鍵
• boolean containsValue(Object value)：判斷是否包含值
• Set<K> keySet()：獲取所有鍵的集合
• Collection<V> values()：獲取所有值的集合
• Set<Map.Entry<K, V>> entrySet()：獲取所有鍵值對的集合

2. HashMap

• 底層實現：哈希表（數組 + 鏈表 + 紅黑樹，JDK8 及以後）。
• 核心特點：無序、鍵唯一、效率高（查詢、增刪均為 O (1) 級別）。
• 注意點：默認初始容量 16，負載因子 0.75，擴容時容量翻倍；鍵為null時會被存到索引 0 的位置。

示例代碼：

Map hashMap = new HashMap<>();
hashMap.put("Java", 100);
hashMap.put("Python", 90);
hashMap.put("Java", 95); // 鍵重複，值會覆蓋
System.out.println(hashMap.get("Java")); // 輸出95,>

3. TreeMap

• 底層實現：紅黑樹。
• 核心特點：有序（鍵的自然排序或自定義比較器排序）、鍵唯一。
• 適用場景：需要對鍵排序的映射場景。

示例代碼：

Map treeMap = new TreeMap<>();
treeMap.put(3, "C");
treeMap.put(1, "A");
treeMap.put(2, "B");
System.out.println(treeMap); // 輸出{1=A, 2=B, 3=C}，按鍵排序,>

4. Hashtable

• 底層實現：哈希表（線程安全版 HashMap）。
• 核心特點：線程安全（方法加同步鎖）、效率低、鍵和值都不允許為null。
• 適用場景：古老的多線程場景（現在更推薦ConcurrentHashMap）。

5. LinkedHashMap

• 底層實現：哈希表 + 鏈表。
• 核心特點：有序（插入順序或訪問順序）、鍵唯一、效率高。
• 適用場景：需要保留插入 / 訪問順序的映射場景，如 LRU 緩存（基於訪問順序）。

四、集合體系的選擇策略

在實際開發中，如何選擇合適的集合？可以參考以下策略：

五、總結

       Java 集合體系是 Java 編程的核心基石之一，掌握Collection和Map的各類實現類的特性、用法和適用場景，能讓你在數據處理場景中如魚得水。從ArrayList的數組高效查詢，到LinkedList的鏈表靈活增刪；從HashMap的哈希表極速映射，到TreeMap的紅黑樹有序排列，每一種集合都有其獨特價值。