Java 集合框架

1. 集合框架概述

Java 集合框架（Java Collection Framework, JCF）是 Java 语言中用于存储、操作和管理数据集合的一整套标准接口和类。它提供了对各种数据结构（如列表、队列、集合、映射等）的支持，使开发者能够高效地管理数据。

1.1 集合框架的分类

Java 集合框架主要分为两大类：

1. Collection 接口（单列集合）

   • List（有序、可重复）

   • Set（无序、不重复）

   • Queue（队列，FIFO 结构）

2. Map 接口（键值对集合）

   • HashMap（无序）

   • TreeMap（有序）

   • LinkedHashMap（保持插入顺序）

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2. Collection 接口及其实现类

2.1 List 接口（元素有序、可重复）

List 接口的实现类主要有：

• ArrayList（底层基于动态数组，查询快，增删慢）

• LinkedList（底层基于双向链表，增删快，查询慢）

• Vector（类似 ArrayList，但线程安全，效率低）

2.1.1 ArrayList 的底层实现

• 采用 动态数组（Object[] elementData）存储数据。

• 默认初始化容量 10，扩容时 容量变为 1.5 倍。

• 适用于 查询频繁、增删较少 的场景。

2.1.2 LinkedList 的底层实现

• 基于 双向链表 结构存储数据。

• 适用于 增删频繁、查询较少 的场景。

2.1.3 Vector 的底层实现

• 与 ArrayList 类似，但 线程安全。

• 扩容时 容量翻倍，比 ArrayList 扩容策略更激进。

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2.2 Set 接口（元素无序、不可重复）

Set 接口的常见实现类：

• HashSet（基于 HashMap 实现，元素无序）

• LinkedHashSet（基于 LinkedHashMap，保持插入顺序）

• TreeSet（基于红黑树实现，自动排序）

2.2.1 HashSet 的底层实现

• 基于 HashMap 实现，元素存储在 HashMap 的 key 位置。

• 依赖 哈希函数 计算存储位置，底层采用 数组 + 链表 + 红黑树 结构。

• 适用于 去重、快速查找 的场景。

2.2.2 TreeSet 的底层实现

• 基于 红黑树（自平衡二叉搜索树） 存储数据。

• 适用于 需要自动排序 的场景。

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2.3 Queue（队列，FIFO 结构）

• PriorityQueue（基于 小顶堆，默认升序排序）

• LinkedList（也可作为队列使用）

2.3.1 PriorityQueue 的底层实现

• 基于 最小堆（小顶堆） 实现。

• 适用于 优先级调度 的场景，如任务调度。

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3. Map 接口及其实现类

3.1 HashMap（无序存储，允许 null 键值）

• 采用 哈希表 结构存储数据。

• JDK 1.8 之后，链表长度超过 8 时转换为 红黑树。

• 适用于 高效键值对存储和查询。

3.2 TreeMap（有序存储）

• 采用 红黑树 存储键值对。

• 适用于 有序存储，如排行榜、范围查询。

3.3 LinkedHashMap（保持插入顺序）

• 继承自 HashMap，内部使用 双向链表 维护顺序。

• 适用于 需要保持插入顺序 的场景。

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4. 线程安全的集合

Java 提供了线程安全的集合类，例如：

• Collections.synchronizedList()

• Collections.synchronizedMap()

• ConcurrentHashMap（高效并发 Map）

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5. 总结

Java 集合框架提供了丰富的数据结构，每种集合都有其适用场景。在实际开发中，选择合适的集合类型可以提升程序的性能和可读性。