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java collection集合特点知识点详解

article 2025/9/14 23:00:17

在 Java 中，Collection 是所有集合类的根接口，它定义了一组对象的基本操作。Java 集合框架提供了丰富的实现类（如List、Set、Queue），具有以下核心特点：

一、统一的接口设计

1. 核心接口层次

Collection (根接口)
├── List (有序可重复)
├── Set (无序不重复)
└── Queue (队列，FIFO)

List：元素有序、可重复，支持索引访问（如ArrayList、LinkedList）。
Set：元素无序、唯一（如HashSet、TreeSet）。
Queue：遵循先进先出（FIFO）原则（如LinkedList、PriorityQueue）。

2. 共性方法

所有Collection实现类都支持以下操作：

add(E e);        // 添加元素
remove(Object o);// 移除元素
contains(Object o); // 判断是否包含
size();         // 返回元素数量
isEmpty();      // 判断是否为空
clear();        // 清空集合
iterator();     // 获取迭代器
toArray();      // 转换为数组

二、动态扩容机制

自动调整大小：大部分集合类（如ArrayList、HashMap）会在元素数量超过容量时自动扩容。
扩容策略：
- ArrayList：初始容量为 10，扩容时新容量 = 旧容量 × 1.5。
- HashMap：初始容量为 16，负载因子 0.75，扩容时新容量 = 旧容量 × 2。

三、线程安全与非线程安全

1. 非线程安全实现

ArrayList、HashSet、HashMap 等：性能高，但不支持多线程并发访问。

List<String> list = new ArrayList<>(); // 非线程安全

2. 线程安全实现

Vector、Hashtable：早期线程安全类，通过synchronized实现，性能较低。
Collections.synchronizedXXX()：将非线程安全集合转换为线程安全集合。

List<String> syncList = Collections.synchronizedList(new ArrayList<>());

java.util.concurrent 包：
- CopyOnWriteArrayList、ConcurrentHashMap：高效的线程安全集合，采用写时复制或分段锁机制。

四、高效的迭代与遍历

1. 迭代器（`Iterator`）

所有集合都支持通过iterator()方法获取迭代器，实现统一遍历。

Iterator<String> it = list.iterator();
while (it.hasNext()) {System.out.println(it.next());
}

2. `for-each` 循环

语法糖，底层依赖迭代器实现。

for (String element : list) {System.out.println(element);
}

五、丰富的数据结构实现

1. `List` 的实现类

ArrayList：基于动态数组，随机访问快（O (1)），插入 / 删除慢（O (n)）。
LinkedList：基于双向链表，插入 / 删除快（O (1)），随机访问慢（O (n)）。

2. `Set` 的实现类

HashSet：基于哈希表，无序，元素唯一。
TreeSet：基于红黑树，有序（自然排序或自定义排序）。
LinkedHashSet：基于哈希表 + 链表，保持插入顺序。

3. `Map` 的实现类

HashMap：键值对存储，无序，允许null键和null值。
TreeMap：基于红黑树，按键有序。
LinkedHashMap：保持插入顺序或访问顺序。

六、泛型支持

类型安全：Java 5 引入泛型后，集合可以指定存储的元素类型。

List<String> list = new ArrayList<>(); // 只能存储String类型
list.add("Java");
// list.add(123); // 编译错误

七、与数组的互操作性

集合转数组：通过toArray()方法。

List<String> list = Arrays.asList("A", "B", "C");
String[] array = list.toArray(new String[0]);

数组转集合：通过Arrays.asList()方法。

String[] array = {"A", "B", "C"};
List<String> list = Arrays.asList(array);

八、性能特点对比

操作	`ArrayList`	`LinkedList`	`HashSet`	`TreeSet`
随机访问	O(1)	O(n)	-	-
插入 / 删除尾部	O(1)	O(1)	O(1)	O(log n)
插入 / 删除中间	O(n)	O(1)	-	-
查找元素	O(n)	O(n)	O(1)	O(log n)

九、常见注意事项

null 值处理：
- ArrayList、HashMap 允许存储null，而TreeSet、TreeMap 不允许（因依赖比较器）。
equals() 和 hashCode()：
- 若元素需存储在HashSet或HashMap中，必须正确重写equals()和hashCode()方法。
fail-fast 机制：
- 当集合在迭代过程中被修改时，会抛出ConcurrentModificationException。