什么是 Java 集合类
Java 集合类是 Java 编程语言中一组重要的接口和类，它们位于 java.util 包中，用于存储和操作数据集合。这些集合类提供了各种数据结构实现，如列表、集合、队列和映射等，极大地简化了开发人员对数据的操作和管理。
Java 集合框架主要分为两大类：Collection 和 Map。Collection 接口又派生出 List、Set 和 Queue 三个子接口，而 Map 接口则代表键值对的集合。理解这些基础接口和类的关系是掌握 Java 集合类的关键。
Java 集合框架的核心接口与实现类
Collection 接口及其实现
Collection 接口是 Java 集合框架的根接口之一，它定义了所有集合类共有的基本操作，如添加、删除、遍历等。主要实现包括：
- List 接口：有序集合，允许重复元素
- ArrayList：基于动态数组实现，随机访问快
- LinkedList：基于链表实现，插入删除快
-
Vector：线程安全的动态数组实现
-
Set 接口：不允许重复元素的集合
- HashSet：基于哈希表实现，无序
- LinkedHashSet：保持插入顺序的HashSet
-
TreeSet：基于红黑树实现，有序集合
-
Queue 接口：队列，先进先出(FIFO)结构
- LinkedList：也实现了Queue接口
- PriorityQueue：优先级队列实现
Map 接口及其实现
Map 接口表示键值对映射，不属于Collection体系，但也是集合框架的重要组成部分：
- HashMap：基于哈希表的实现，允许null键值
- LinkedHashMap：保持插入顺序的HashMap
- TreeMap：基于红黑树的有序映射
- Hashtable：线程安全的哈希表实现
- ConcurrentHashMap：高并发场景下的线程安全Map
Java 集合类的性能比较与选择策略
各集合类的性能特点
选择正确的 Java 集合类对应用性能至关重要。以下是主要集合类的性能对比：
- ArrayList vs LinkedList
- ArrayList：随机访问O(1)，插入删除O(n)
-
LinkedList：随机访问O(n)，插入删除O(1)
-
HashSet vs TreeSet
- HashSet：查找、插入、删除平均O(1)
-
TreeSet：查找、插入、删除O(log n)，但保持有序
-
HashMap vs TreeMap
- HashMap：操作平均O(1)
- TreeMap：操作O(log n)，按键排序
集合类选择的最佳实践
根据不同的使用场景选择合适的集合类：
- 需要快速随机访问：优先选择ArrayList
- 频繁插入删除：考虑LinkedList
- 需要去重：使用HashSet或TreeSet
- 键值对存储：HashMap是默认选择
- 需要排序：TreeSet或TreeMap
- 线程安全需求：考虑ConcurrentHashMap或Collections.synchronized方法包装
Java 8 对集合类的增强功能
Java 8 为集合框架引入了多项重要改进，显著提升了开发效率和性能：
Stream API 的引入
Stream API 提供了一种声明式处理集合数据的方式：
List<String> filtered = list.stream()
.filter(s -> s.startsWith("A"))
.sorted()
.collect(Collectors.toList());
Lambda 表达式支持
Lambda 表达式简化了集合操作：
list.forEach(item -> System.out.println(item));
新的集合操作方法
Java 8 添加了许多有用的默认方法：
map.computeIfAbsent(key, k -> new ArrayList<>()).add(value);
并行流处理
利用多核处理器提高处理速度：
long count = list.parallelStream().filter(...).count();
Java 集合类的高级用法与优化技巧
集合初始化容量设置
合理设置初始容量可以减少扩容操作：
// 已知大约有1000个元素时
Map<String, String> map = new HashMap<>(1024);
不可变集合的创建
Java 9 引入了方便的工厂方法创建不可变集合：
List<String> immutableList = List.of("a", "b", "c");
Set<String> immutableSet = Set.of("a", "b", "c");
Map<String, Integer> immutableMap = Map.of("a", 1, "b", 2);
自定义集合类
通过继承抽象集合类实现自定义集合：
public class CaseInsensitiveSet extends AbstractSet<String> {
private final Set<String> delegate = new HashSet<>();
@Override
public boolean add(String e) {
return delegate.add(e.toLowerCase());
}
// 实现其他必要方法
}
Java 集合类在多线程环境下的使用
线程安全的集合类选择
Java 提供了多种线程安全的集合实现：
- 传统线程安全集合
- Vector
- Hashtable
-
Collections.synchronizedXXX 方法包装的集合
-
并发集合（推荐使用）
- ConcurrentHashMap
- CopyOnWriteArrayList
- CopyOnWriteArraySet
- ConcurrentLinkedQueue
并发集合的性能优势
以 ConcurrentHashMap 为例，它通过分段锁技术实现了更高的并发性能：
ConcurrentMap<String, Integer> map = new ConcurrentHashMap<>();
map.compute("key", (k, v) -> v == null ? 1 : v + 1);
Java 集合类常见问题与解决方案
集合遍历时的修改异常
使用迭代器遍历时修改集合会抛出 ConcurrentModificationException：
错误示例：
for (String item : list) {
if (item.equals("remove")) {
list.remove(item); // 抛出异常
}
}
正确解决方案：
Iterator<String> it = list.iterator();
while (it.hasNext()) {
String item = it.next();
if (item.equals("remove")) {
it.remove(); // 安全删除
}
}
对象相等性与集合行为
集合类依赖 equals() 和 hashCode() 方法，不当实现会导致问题：
class BadKey {
String name;
@Override
public boolean equals(Object o) {
// 实现
}
// 忘记实现hashCode()
}
Set<BadKey> set = new HashSet<>();
set.add(new BadKey("a"));
set.contains(new BadKey("a")); // 可能返回false
内存泄漏风险
集合持有对象引用可能导致内存泄漏：
Map<Object, String> map = new HashMap<>();
Object key = new Object();
map.put(key, "value");
key = null; // key对象仍然被map引用，无法回收
解决方案：使用 WeakHashMap 或定期清理不再需要的集合元素。
总结
Java 集合类是 Java 开发中最常用且功能强大的工具之一。通过本文的全面解析，我们了解了集合框架的体系结构、各种实现类的特点、性能比较以及高级使用技巧。掌握这些知识不仅能帮助你编写更高效的代码，还能避免常见的陷阱和问题。
在实际开发中，应根据具体需求选择合适的集合类，考虑因素包括：数据访问模式、线程安全需求、排序要求以及性能特点等。随着 Java 版本的更新，集合框架也在不断演进，及时了解新特性（如 Java 8 的 Stream API 和 Java 9 的不可变集合工厂方法）可以显著提升开发效率。
