Java 集合

一、集合 & 数组

核心区别

常见集合类型

• List：有序、可重复（如ArrayList、LinkedList）

• Set：无序、唯一（如HashSet、TreeSet）

• Map：键值对（如HashMap、ConcurrentHashMap）

1. 区别

• 类型与泛型

  • 数组：声明时必须明确元素类型（如 int[]、String[]），只能存储同类型元素（基本类型或引用类型）

  • 集合：默认以 Object 存储元素，支持泛型（如 List<String>）增强类型安全，未用泛型时可混合类型

• 容量与动态性

  • 数组：长度固定，无法扩容，需手动处理增删（如复制数组）

  • 集合：动态扩容（如 ArrayList），提供 add()、remove() 等灵活操作

• 性能与内存

  • 数组：内存连续分配，索引访问 O(1)，适合高频访问

  • 集合：底层结构多样（链表、哈希表等），部分操作效率低（如 LinkedList 随机访问为 O(n)）

• 功能扩展

  • 数组：仅支持基础操作（赋值、遍历）

  • 集合：提供排序（Collections.sort()）、过滤（Stream.filter()）、线程安全工具（如 Collections.synchronizedList()）等丰富 API

• 适用场景

  • 数组：数据量固定、性能敏感场景（数学计算、固定配置项）

  • 集合：数据动态变化、需复杂操作的场景（订单管理、用户日志）

2. 类型

• List（有序、可重复）

  • ArrayList：基于动态数组，快速随机访问，适合读多写少（商品列表展示）

  • LinkedList：基于双向链表，插入/删除高效，适合频繁增删（消息队列）

• Set（无序、唯一）

  • HashSet：基于哈希表，查找 O(1)，适合去重或快速查找（用户黑名单）

  • TreeSet：基于红黑树，自动排序，适合有序唯一需求（排行榜）

• Map（键值对）

  • HashMap：非线程安全，允许 null 键值，适合高频读写（缓存数据）

  • ConcurrentHashMap：线程安全，适合高并发（分布式计数器）

• 其他工具类

  • Collections：提供集合工具方法（排序、同步化包装）

  • Arrays：提供数组工具方法（asList()、sort()）

3. 使用

• 动态数据管理：用 ArrayList<FormData> 存储用户表单数据，通过泛型保证类型一致

• 高频查询优化：用 HashMap 缓存数据库结果（如用户ID到对象的映射），减少重复查询

• 并发场景处理：多线程下用 ConcurrentHashMap 替代 Hashtable，兼顾性能与线程安全

4. 总结

• 选择依据：优先考虑数据量是否固定、是否需要动态操作、线程安全及性能需求

• 推荐实践：默认使用集合（如 ArrayList、HashMap），仅在数据量固定或追求极致性能时用数组

二、Java中的集合

1. 接口 & 实现类

• Collection接口

  • List（有序、可重复）

  • ArrayList：基于动态数组，快速随机访问（O(1)），适合读多写少（如商品列表）

  • LinkedList：基于双向链表，插入/删除高效（O(1)），适合频繁增删（如消息队列）

  • Vector：线程安全的动态数组，性能较低，逐渐被 ArrayList 替代

• Set（无序、唯一）

  • HashSet：基于哈希表，查找 O(1)，适合去重或快速查找（如用户黑名单）

  • TreeSet：基于红黑树，元素自动排序，适合有序唯一需求（如排行榜）

• Queue（队列）

  • LinkedList：支持队列（FIFO）和栈（LIFO）

  • PriorityQueue：基于优先级堆，元素按优先级排序

• Map接口（键值对）

• HashMap：非线程安全，允许 null 键值，适用于高频读写（如缓存）

• ConcurrentHashMap：线程安全，分段锁机制，适合高并发场景

• TreeMap：基于红黑树，键自动排序，适合有序键场景（如按日期排序日志）

2. 集合 & 数组

3. 线程安全 & 工具类

• 线程安全实现

  • 同步容器：Vector、Hashtable（通过 synchronized 实现，性能低）

  • 并发容器：ConcurrentHashMap、CopyOnWriteArrayList（分段锁或写时复制技术）

• 工具类

  • Collections：提供排序（sort()）、查找（binarySearch()）、同步化包装（synchronizedList()）

  • Arrays：支持数组转换（asList()）、排序（sort()）

4. 设计原则 & 最佳实践

• 泛型与类型安全

  • 集合通过泛型（如 List<String>）限制元素类型，避免运行时错误

• 选择依据

  • 数据量固定：优先用数组（如数学计算）

  • 动态操作：优先用集合（如 ArrayList、HashMap）

  • 排序需求：使用 TreeSet 或 TreeMap

  • 并发场景：使用 ConcurrentHashMap 或 CopyOnWriteArrayList

• 性能优化

  • 避免集合频繁扩容（如预初始化 ArrayList 容量）

  • 使用迭代器（Iterator）遍历，避免并发修改异常

5. 扩展 & 演进

• 历史演进：Java 1.0 的 Vector、Hashtable 逐渐被 Java 2 集合框架替代

• 函数式编程：Java 8 引入流（Stream）和 Lambda，支持链式操作（过滤、映射）

三、线程安全的集合

1. 传统同步集合

低并发场景

• Vector：基于动态数组，所有方法用 synchronized 修饰，线程安全但性能低，适合简单场景

• Hashtable：线程安全哈希表，不允许 null 键值，方法同步导致性能差，已被 ConcurrentHashMap 取代

• Stack：继承自 Vector，实现后进先出（LIFO）的栈结构，同步机制与 Vector 一致

• 同步包装类：通过 Collections.synchronizedList()、Collections.synchronizedMap() 包装普通集合为线程安全版本，但需手动同步复合操作（如迭代）

2. 并发集合

java.util.concurrent 包，高并发场景

• ConcurrentHashMap：线程安全哈希表，JDK 1.8 前分段锁，之后改为 CAS + synchronized，支持高并发读写

• CopyOnWriteArrayList/CopyOnWriteArraySet：写时复制（Copy-On-Write）机制，读多写少场景适用（如配置缓存）

• ConcurrentLinkedQueue/ConcurrentLinkedDeque：无锁（CAS 实现）线程安全队列，适合高并发生产者-消费者模型

• ConcurrentSkipListMap/ConcurrentSkipListSet：基于跳表（Skip List），支持有序键值对的线程安全操作（如排行榜）

3. 阻塞队列

BlockingQueue 接口实现类

• ArrayBlockingQueue：基于数组的有界队列，通过 ReentrantLock 实现线程安全

• LinkedBlockingQueue：基于链表的可选有界队列（默认无界），适合任务队列场景

• PriorityBlockingQueue：无界优先级队列，元素按自然顺序或自定义 Comparator 排序

• SynchronousQueue：不存储元素，直接传递任务，适用于线程间直接交换数据

4. 选择依据

• 高并发读写：优先用 ConcurrentHashMap（Map）或 ConcurrentLinkedQueue（队列）

• 读多写少：选择 CopyOnWriteArrayList 或 CopyOnWriteArraySet

• 有序性需求：使用 ConcurrentSkipListMap 或 ConcurrentSkipListSet

• 生产者-消费者模型：采用 BlockingQueue 实现类（如 LinkedBlockingQueue）

• 兼容旧代码：临时用 Vector 或 Hashtable，但不推荐高并发场景

5. 注意事项

• 复合操作安全性：即使使用线程安全集合，组合多个方法（如“检查-修改”）仍需额外同步

• 迭代器行为：

  • ConcurrentHashMap 迭代器是弱一致性的

  • CopyOnWriteArrayList 迭代器基于快照，不会抛出 ConcurrentModificationException

• 性能权衡：同步集合（如 Vector）适合低并发，并发集合（如 ConcurrentHashMap）高并发更优

四、Collections & Collection

1. 定义

• Collection

  • Java 集合框架的根接口，定义集合的通用方法（如 add()、remove()）

  • 所有集合类（List、Set、Queue）均直接或间接实现此接口

• Collections

  • 工具类，提供静态方法操作集合（如排序、线程安全包装）

  • 不存储数据，仅增强集合功能

2. 功能

• Collection

  • 规范集合行为，如 List（有序可重复）、Set（无序唯一）、Queue（队列）

  • 实现类包括 ArrayList、HashSet、PriorityQueue 等

• Collections

  • 提供功能扩展：sort()（排序）、synchronizedList()（线程安全包装）、binarySearch()（二分查找）

3. 调用

• Collection：实例方法：通过集合对象调用（如 list.add("Java")）

• Collections：静态方法：直接通过类名调用（如 Collections.sort(list)）

4. 子类

• Collection：通过子接口（如 List、Set）和实现类扩展数据结构

• Collections：无子类，所有方法独立存在，适用于任何 Collection 实现类

5. 线程安全

• Collection：默认非线程安全（如 ArrayList、HashMap），需手动同步或使用并发集合（如 ConcurrentHashMap）

• Collections：提供同步包装方法（如 Collections.synchronizedList(list)），但迭代时仍需手动加锁

6. 对比

五、集合遍历

人类迷惑行为大赏：

🚫 用普通 for 循环暴揍 LinkedList —— 疯狂跑腿，性能扑街

🚫 在增强 for 循环里删元素 —— 系统提示：您已触发「ConcurrentModificationException」成就

• 原始人模式

  • 普通 for 循环：靠索引点名，List 专属，Set 直接装死

  • 增强 for 循环：无脑自动导航，但手贱删元素会原地爆炸（抛异常）

• 智能导航

  • 迭代器：自带安检员，边逛边删不翻车，但只能一路向前（单向）

  • 列表迭代器：双向飙车特技，List 专属，还能改户口（修改元素）

• 懒人套餐

  • forEach：一键清空购物车（遍历），但别想中途反悔（不支持 break）

  • Stream API：流水线魔法，边遍历边加工（过滤/统计/变形），附赠多线程加速包

• Map 专场

  • entrySet：抄家式遍历（键值对一锅端），效率之王

  • keySet：先偷钥匙再开锁找值，适合眼神好的柯南

  • forEach：键值对一键打包，懒人直呼内行

• 隐藏技能

  • Spliterator：分手大师，把集合拆成多段并行处理（Java 8 黑科技）

  • Enumeration：爷爷辈工具，如今只剩 Vector 等古董还在用