集合框架
一、集合框架
1.概述？
Java 集合框架（JCF）是一套用于存储、操作和管理对象组的标准化接口和实现类。它解决了数组的局限性（如固定长度、缺乏封装操作），提供高效的数据结构和算法。整个集合框架分为两大块，一块是基于Collection接口，另一块是基于Map接口。
二、Collection
1.概述
Collection是单列集合的根接口，其中SequenceCollection接口和SequenceSet接口都是Java21新增接口。UML图如下：
2.核心接口
| 接口 | 元素特点 | 有序性 | 唯一性 | 典型实现类 |
|---|---|---|---|---|
| List | 可重复 | 有序（索引） | 否 | ArrayList, LinkedList |
| Set | 不可重复 | 无序（多数） | 是 | HashSet, TreeSet |
| Queue | 可重复 | 按规则排序 | 否 | PriorityQueue |
| Deque | 可重复 | 双端操作 | 否 | LinkedList |
3.List接口的常用实现类
| 类名 | 数据结构 | 线程是否安全 | 随机访问速度 | 插入和删除速度 | 适用场景 |
|---|---|---|---|---|---|
| ArrayList | 动态数组 | 否 | 快（O(1)） | 慢（O(n)） | 高频查询、少增删 |
| Vector | 动态数组 | 是（同步） | 快（O(1)） | 慢（O(n)） | 已被弃用，用 CopyOnWriteArrayList 替代 |
| LinkedList | 双向链表 | 否 | 慢（O(n)） | 快（O(1)） | 高频增删、需要队列/栈操作 |
4.Set接口的常用实现类
| 类名 | 数据结构 | 排序规则 | 线程是否安全 | 查询速度 | 特点 |
|---|---|---|---|---|---|
| HashSet | 哈希表 | 无序 | 否 | O(1) | 最高效，依赖 hashCode() 和 equals() |
| LinkedHashSet | 哈希表 + 双向链表 | 插入顺序 | 否 | O(1) | 保留插入顺序 |
| TreeSet | 红黑树 | 自然排序/Comparator | 否 | O(log n) | 自动排序，要求元素实现 Comparable |
注：HashSet和LinkedHashSet本质是HashMap和LinkedHashMap的key。然后LinkedHashSet是通过双向链表来控制插入顺序，即每一个结点上除了hash值，key，value，next（指向下一个结点）之外，还有before，after来控制插入时的前后顺序。
5.Queue接口和Deque接口的常用实现类
| 类名 | 数据结构 | 特点 | 适用场景 |
|---|---|---|---|
| PriorityQueue | 堆（优先队列） | 按优先级排序（自然序或Comparator） | 任务调度、贪婪算法 |
| LinkedList | 链表 | 实现了 Deque（双端队列） | 队列、栈操作 |
注：堆在逻辑上可以看作一颗完全二叉树，但实际上存储方式是一个队列（链表或者数组实现），假设队列中首元素初始下标为0，那么2i+1就可以代表i结点的左孩子，2i+2就可以代表i结点的右孩子，而满足根节点的元素大于（小于）子节点的元素，即形成大根堆（小根堆），这样就满足了时间复杂度为O(nlogn)的堆排序。
6.迭代器Iterator及其使用方式
Iterator是所有Collection集合独有的遍历集合元素的方式。使用方式为：
1）通过iterator()方法，获取一个迭代器对象；
2）通过迭代器的hasNext()方法，判断迭代器的光标所指向的位置是否有元素，返回值为boolean类型；
3）通过迭代器的next()方法，将光标所指向的位置上的元素返回，并将光标移动到下一个位置；
总结使用：
点击查看代码
Iterator<String> iterator = collection.iterator();
while (iterator.hasNext()){
String e = iterator.next();
}
7.迭代时删除元素问题
在使用迭代器遍历元素时，不能使用集合的方法删除元素，必须使用迭代器自带remove()方法来删除。
原因是：迭代器存在fail-fast机制。即当发现程序对集合进行并发修改时，就会让其立即执行失败，防止出现错误。
实现原理：
1）集合中设置了一个modCount属性，用来记录修改操作的执行次数；
2）当获取迭代器对象时，会给迭代器对象初始化一个expectedModCount属性，并将modCount的值赋给expectedModCount；
3）若使用集合对象的API删除集合内元素时，modCount会加1，但迭代器中expectedModCount不会加1。
4）若使用迭代器的API删除集合内元素时，modCount会加1，迭代器中expectedModCount也会加1。
5）当迭代器对象执行next()方法时，会判断modCount与expectedModCount的值是否相等，如果不相等则会抛出ConcurrentModificationException。
三、Map
1.概述
Map是双列集合（键值对）的根接口。UML图如下：
| 接口 | 元素特点 | 有序性 | 唯一性 | 典型实现类 |
|---|---|---|---|---|
| Map | Key-Value 对 | Key 唯一 | Key 不可重复（重复会覆盖前面的） | HashMap, TreeMap |
2.Map常用实现类
| 类名 | 数据结构 | Key排序规则 | 线程是否安全 | 查询速度 | 特点 |
|---|---|---|---|---|---|
| HashMap | 数组加链表或者红黑树 | 无序（存入顺序与取出顺序不同） | 否 | O(1) | 最高效，允许 key为null |
| LinkedHashMap | 哈希表加双向链表 | 插入顺序/访问顺序 | 否 | O(1) | 保留顺序，支持 LRU 缓存 |
| TreeMap | 红黑树 | Key 排序 | 否 | O(log n) | Key 需可排序 |
| Hashtable | 哈希表 | 无序 | 是（同步） | O(1) | 已弃用，用 ConcurrentHashMap 替代 |
注：HashMap，LinkedHashMap存储的key必须重写equals()方法和hashcode()方法
3.关于Map的遍历
方法一：通过keySet()方法获得一个Set
方法二：通过entrySet()方法获得一个Set<Map.Entry<K, V>>集合，通过Set集合的迭代器遍历。
注：Map.Entry是Map的内置接口，每一个entry元素都会存储hash值，key，value三个基础值。
四、泛型
1.概述
泛型是java5新增的编译阶段功能，作用是用于保障数据类型安全，常常结合集合框架使用。
2.泛型的擦除和补偿
1）擦除：在加载类时会将泛型擦除变为Object类型，这样保证了擦除之后的代码与java5之前的代码一致。
2）补偿：虚拟机会根据元素的实际类型进行向下转型，也就是恢复元素的实际类型。
3.自定义泛型
1）在类上自定义泛型
pbulic class MyClass<T>{}
表示在类声明时，同时声明一个泛型。也可以声明多个<T,E,F...>
2）在方法上自定义泛型
public static <T,E> void m1(T t, E e){}
表示在方法声明时，同时声明两个泛型。
注：在类上自定义的泛型，在静态方法上无法使用
3）在接口上自定义泛型
public interface MyInterface<T,E,F>{}
表示在接口声明时，同时声明三个泛型。
public class MyClass<T> implements MyInterface<T>{}
表示在不知道接口会传哪种数据类型时，在实现类上自定义一个泛型，保证接口传入的与实现类接受的数据类型相同。
4.泛型通配符（在使用泛型时使用，定义时不能使用）
1）无限定通配符：<?>，?表示此处可以为任意数据类型
2）上限定通配符：<? extends Number>，?表示此处必须为Number数据类型或Number的子类
3）下限定通配符：<? super Number>，?表示此处必须为Number数据类型或Number的父类
五、重要工具类
1.Collections 工具类
java.util.Collections 是一个专为操作集合（List/Set/Map等）设计的工具类，提供排序、查找、线程安全化等能力，仅由操作或返回集合的静态方法组成。它包含对集合进行排序、搜索、线程安全化、不可变包装等方法。
核心功能：
| 方法类别 | 方法签名示例 | 作用 |
|---|---|---|
| 排序/重排 | sort(List |
自然排序/自定义排序/随机打乱顺序 |
| 二分查找 | binarySearch(List<?> list, T key) | 在已排序列表中二分查找（需先排序） |
| 不可变集合 | unmodifiableList(List list) / unmodifiableSet(Set s) | 创建只读集合（任何修改操作抛异常） |
| 线程安全集合 | synchronizedList(List |
将集合包装为线程安全版本（需手动同步迭代器） |
| 特殊集合 | singleton(T o) / nCopies(int n, T o) / emptyList() | 创建单元素集合/N份拷贝集合/空集合 |
| 集合操作 | reverse(List list) / swap(List list, int i, int j) | 反转元素/交换位置 |
| 最值/频率 | max(Collection coll) / frequency(Collection c, Object o) | 找最大最小元素/计算元素出现次数 |
2.Arrays 工具类
专为操作数组设计的工具类，提供转换、排序、填充等能力。
核心功能：
| 方法类别 | 方法签名示例 | 作用 |
|---|---|---|
| 数组转集合 | asList(T... a) | 数组→固定大小List（与原数组共享内存！） |
| 排序/二分查找 | sort(int[] a) / binarySearch(int[] a, int key) | 排序/二分查找（支持所有基本类型和对象数组） |
| 比较/填充 | equals(int[] a, int[] b) / fill(int[] a, int val) | 数组内容比较/用指定值填充数组 |
| 流处理(Java8+) | stream(T[] array) | 数组转Stream（支持并行处理） |
| 深度操作 | deepEquals(Object[] a1, Object[] a2) / deepToString(Object[] a) | 嵌套数组比较/嵌套数组转字符串（解决多维数组打印问题） |
| 拷贝/截取 | copyOf(T[] original, int newLength) / copyOfRange(T[] original, int from, int to) | 复制数组/子数组 |
浙公网安备 33010602011771号