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Java Collections Framework (集合框架) 详解

Java 集合框架 (Java Collections Framework, JCF) 是一套功能强大且灵活的工具，用于存储和处理一组对象。集合框架为各种数据结构提供了标准实现，如列表 (List)、集合 (Set) 和映射 (Map)，极大地简化了数据操作任务。

1. 集合框架的结构

Java 集合框架主要包含以下几个核心接口：

Collection：集合的根接口，包含基本操作和特性，子接口包括 List、Set 和 Queue。
Map：映射接口，用于存储键-值对。

集合框架的层次结构

                Collection
                   |
    ---------------------------------
    |               |               |
   List            Set             Queue
    |               |               |
  ArrayList      HashSet        PriorityQueue
  LinkedList     LinkedHashSet  ArrayDeque
  Vector         TreeSet

                   Map
                    |
     --------------------------------
     |                              |
   HashMap                       SortedMap
   LinkedHashMap                 TreeMap
   WeakHashMap
   IdentityHashMap

2. 主要接口及其实现

2.1 List 接口

List 接口表示一个有序的集合，允许重复元素。List 可以通过索引访问元素。

主要实现类：
- ArrayList：
  - 基于动态数组，访问速度快，插入和删除效率相对较低。
  - 适合随机访问场景。
- LinkedList：
  - 基于双向链表，插入和删除效率高，但访问速度较慢。
  - 适合频繁插入、删除操作的场景。
- Vector：
  - 线程安全的动态数组，类似 ArrayList，但性能较低。

示例：

List<String> list = new ArrayList<>();
list.add("A");
list.add("B");
list.add("C");
System.out.println(list.get(1)); // 输出: B

2.2 Set 接口

Set 接口表示一个无序集合，不允许重复元素。

主要实现类：
- HashSet：
  - 基于哈希表实现，不保证元素的顺序。
  - 插入、删除和查找操作的效率高。
- LinkedHashSet：
  - 保持插入顺序的 HashSet，基于链表和哈希表实现。
- TreeSet：
  - 基于红黑树实现，元素有序，支持排序操作。

示例：

Set<String> set = new HashSet<>();
set.add("A");
set.add("B");
set.add("A"); // 重复元素不会被添加
System.out.println(set); // 输出: [A, B]

2.3 Queue 接口

Queue 接口表示一个队列，通常遵循“先入先出” (FIFO) 原则。

主要实现类：
- PriorityQueue：
  - 基于优先级堆实现，元素按自然顺序或自定义比较器排序。
- ArrayDeque：
  - 双端队列，允许在两端插入和删除元素，效率高于 LinkedList。

示例：

Queue<Integer> queue = new LinkedList<>();
queue.offer(1);
queue.offer(2);
queue.poll(); // 移除并返回队首元素
System.out.println(queue); // 输出: [2]

2.4 Map 接口

Map 接口表示一个键值对集合，每个键最多只能映射到一个值。

主要实现类：
- HashMap：
  - 基于哈希表实现，不保证顺序，允许 null 键和值。
  - 适合插入、删除和查找操作。
- LinkedHashMap：
  - 保持插入顺序的 HashMap，使用链表维护顺序。
- TreeMap：
  - 基于红黑树实现，键按自然顺序或自定义顺序排序。
- WeakHashMap：
  - 使用弱引用的哈希表，便于垃圾回收。
- IdentityHashMap：
  - 使用 == 比较键的哈希表，而不是 equals() 方法。

示例：

Map<String, Integer> map = new HashMap<>();
map.put("A", 1);
map.put("B", 2);
System.out.println(map.get("A")); // 输出: 1

3. 常用方法

3.1 List 接口的方法

add(E e): 添加元素到列表末尾。
get(int index): 获取指定索引的元素。
remove(int index): 移除指定索引的元素。
set(int index, E element): 替换指定索引的元素。
size(): 返回列表的大小。

3.2 Set 接口的方法

add(E e): 添加元素，如果已存在，则不添加。
remove(Object o): 移除指定元素。
contains(Object o): 检查集合是否包含某元素。
size(): 返回集合的大小。

3.3 Queue 接口的方法

offer(E e): 添加元素到队列尾部。
poll(): 移除并返回队首元素，若队列为空则返回 null。
peek(): 返回队首元素但不移除，若队列为空则返回 null。

3.4 Map 接口的方法

put(K key, V value): 添加键值对。
get(Object key): 获取指定键的值。
remove(Object key): 移除指定键的键值对。
containsKey(Object key): 检查是否包含指定键。
keySet(): 返回所有键的集合。
values(): 返回所有值的集合。

4. 集合工具类：`Collections` 和 `Arrays`

4.1 Collections 类

Collections 是一个工具类，提供了许多静态方法来操作集合，如排序、搜索、同步化等。

Collections.sort(List<T> list): 对列表进行排序。
Collections.shuffle(List<?> list): 随机打乱列表中的元素。
Collections.max(Collection<? extends T> coll): 返回集合中的最大元素。
Collections.min(Collection<? extends T> coll): 返回集合中的最小元素。

示例：

List<Integer> numbers = Arrays.asList(5, 2, 8, 1);
Collections.sort(numbers);
System.out.println(numbers); // 输出: [1, 2, 5, 8]

4.2 Arrays 类

Arrays 类提供了一些方法来操作数组，如排序、搜索、转换为集合等。

Arrays.asList(T... a): 将数组转换为 List。
Arrays.sort(int[] a): 对数组进行排序。
Arrays.binarySearch(int[] a, int key): 使用二分查找法查找元素。

示例：

int[] arr = {5, 2, 8, 1};
Arrays.sort(arr);
System.out.println(Arrays.toString(arr)); // 输出: [1, 2, 5, 8]

5. 线程安全的集合

使用 Collections.synchronizedList、synchronizedSet、synchronizedMap：
- List<String> synchronizedList = Collections.synchronizedList(new ArrayList<>());
使用并发集合类 (在 java.util.concurrent 包中)：
- ConcurrentHashMap：线程安全的 HashMap。
- CopyOnWriteArrayList：线程安全的 ArrayList。

6. 迭代集合

6.1 使用 `Iterator` 迭代

Iterator 是一个用于遍历集合的接口，支持 remove() 方法来安全地移除元素。

示例：

List<String> list = new ArrayList<>();
list.add("A");
list.add("B");
Iterator<String> iterator = list.iterator();
while (iterator.hasNext()) {
    String item = iterator.next();
    System.out.println(item);
}

6.2 使用增强型 for 循环

示例：

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

7. 总结与选择指南

List：需要有序集合时使用，选择 ArrayList（访问快）或 LinkedList（插入、删除快）。
Set：需要无序、不重复集合时使用，选择 HashSet（无序）或 TreeSet（有序）。
Queue：需要先进先出的集合时使用，选择 LinkedList
或 PriorityQueue。
Map：需要键值对集合时使用，选择 HashMap（无序）或 TreeMap（有序）。

Java 集合框架为数据处理提供了丰富的工具，理解各个实现类的特性和用法，能帮助你写出高效、简洁的代码。

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