JavaGuide项目：Java集合框架核心知识点与面试题解析(上)

JavaGuide项目：Java集合框架核心知识点与面试题解析(上)

JavaGuide JavaGuide：这是一份Java学习与面试指南，它涵盖了Java程序员所需要掌握的大部分核心知识。这份指南是一份通俗易懂、风趣幽默的学习资料，内容全面，深受Java学习者的欢迎。 项目地址: https://gitcode.com/gh_mirrors/ja/JavaGuide

作为Java开发者，掌握集合框架是基本功。本文将系统梳理Java集合框架的核心知识点，帮助读者深入理解各种集合类的特性和使用场景。

一、Java集合框架概述

1.1 集合框架体系结构

Java集合框架主要由两大接口派生而来：

1. Collection接口：存放单一元素，主要子接口包括：

   • List：有序、可重复
   • Set：无序、不可重复
   • Queue：队列结构

2. Map接口：存放键值对(key-value)

集合框架的层级关系如下图所示（简化版）：

Collection
├── List
│   ├── ArrayList
│   ├── LinkedList
│   └── Vector
├── Set
│   ├── HashSet
│   ├── LinkedHashSet
│   └── TreeSet
└── Queue
    ├── PriorityQueue
    └── ArrayDeque

Map
├── HashMap
├── LinkedHashMap
├── TreeMap
└── Hashtable

1.2 集合选型指南

选择集合时应考虑以下因素：

• 元素特性：是否需要有序？是否允许重复？
• 性能需求：插入、删除、查询操作的频率
• 线程安全：是否需要并发支持
• 特殊需求：是否需要排序、是否频繁修改

二、List集合详解

2.1 ArrayList vs 数组

ArrayList基于动态数组实现，与静态数组相比具有明显优势：

| 特性 | ArrayList | 数组 | |-------------|--------------------------|--------------------------| | 长度可变性 | 动态扩容/缩容 | 固定长度 | | 类型安全 | 支持泛型 | 不支持泛型 | | 存储类型 | 只能存储对象 | 可存储基本类型和对象 | | API丰富度 | 提供丰富操作方法 | 仅支持下标访问 | | 初始化 | 无需指定大小 | 必须指定大小 |

2.2 ArrayList vs LinkedList

两者都是List接口的实现，但底层结构和性能特点迥异：

| 特性 | ArrayList | LinkedList | |---------------------|--------------------------------|--------------------------------| | 底层结构 | 动态数组 | 双向链表 | | 随机访问 | O(1) | O(n) | | 头部插入/删除 | O(n) | O(1) | | 尾部插入/删除 | O(1) | O(1) | | 指定位置插入/删除 | O(n) | O(n) | | 内存占用 | 预留空间 | 每个元素额外存储前后指针 |

实践建议：大多数场景下优先使用ArrayList，仅在频繁操作头尾元素时考虑LinkedList。

2.3 ArrayList扩容机制

ArrayList的扩容是其核心机制：

1. 默认初始容量为10
2. 添加元素时检查容量，不足则触发扩容
3. 新容量 = 旧容量 * 1.5
4. 扩容通过Arrays.copyOf实现数据迁移

扩容操作的时间复杂度为O(n)，但通过均摊分析，插入操作的均摊时间复杂度仍为O(1)。

2.4 Vector与Stack

这两个是Java早期的集合实现，现已不推荐使用：

• Vector：线程安全的动态数组，方法使用synchronized修饰
• Stack：继承自Vector的后进先出(LIFO)栈

现代Java开发中，推荐使用：

• 并发场景：CopyOnWriteArrayList
• 栈结构：ArrayDeque

三、Set集合详解

3.1 Set核心特性

Set集合的两大特性：

1. 无序性：元素存储顺序不由插入顺序决定，而是由哈希值决定
2. 不可重复性：依赖equals()和hashCode()方法判断元素相等

3.2 HashSet、LinkedHashSet、TreeSet对比

| 特性 | HashSet | LinkedHashSet | TreeSet | |---------------|------------------|-----------------------|------------------| | 底层实现 | HashMap | LinkedHashMap | 红黑树 | | 排序方式 | 无 | 插入顺序 | 自然/定制排序 | | 时间复杂度 | O(1) | O(1) | O(log n) | | 线程安全 | 否 | 否 | 否 | | 允许null | 是 | 是 | 否 |

使用场景：

• 只需去重：HashSet
• 需要保持插入顺序：LinkedHashSet
• 需要排序：TreeSet

3.3 Comparable与Comparator

两者都用于对象排序，但有以下区别：

| 特性 | Comparable | Comparator | |-----------------|-----------------------------|-----------------------------| | 包位置 | java.lang | java.util | | 方法 | compareTo(T o) | compare(T o1, T o2) | | 使用场景 | 定义对象的自然排序 | 定义多种排序方式 | | 侵入性 | 需要修改类 | 无需修改类 |

示例：

// 使用Comparator定义降序排序
Collections.sort(list, new Comparator<Integer>() {
    @Override
    public int compare(Integer o1, Integer o2) {
        return o2.compareTo(o1);
    }
});

// 实现Comparable接口
class Person implements Comparable<Person> {
    @Override
    public int compareTo(Person o) {
        return this.age - o.age;
    }
}

四、Queue与Deque

4.1 Queue与Deque的区别

Queue是单端队列，Deque是双端队列：

| 操作 | Queue方法 | Deque新增方法 | |------------|----------------|---------------------| | 插入队尾 | add(e)/offer(e) | addLast(e)/offerLast(e) | | 插入队首 | - | addFirst(e)/offerFirst(e) | | 删除队首 | remove()/poll() | removeFirst()/pollFirst() | | 删除队尾 | - | removeLast()/pollLast() |

4.2 ArrayDeque vs LinkedList

两者都可作为Deque实现，但各有特点：

| 特性 | ArrayDeque | LinkedList | |---------------|-------------------------|------------------------| | 底层结构 | 可变长数组+双指针 | 双向链表 | | 允许null | 否 | 是 | | 内存占用 | 连续内存 | 分散内存 | | 插入性能 | 均摊O(1)，可能扩容 | 每次申请新节点 | | 适用场景 | 高频队列操作 | 需要null值或频繁修改 |

最佳实践：大多数队列场景优先使用ArrayDeque，它同时也能很好地作为栈使用。

五、Fail-Fast与Fail-Safe机制

5.1 Fail-Fast机制

原理：

• 维护modCount计数器记录修改次数
• 迭代时检查modCount是否变化
• 发现并发修改立即抛出ConcurrentModificationException

示例：

List<String> list = new ArrayList<>();
// 迭代过程中修改集合
for (String s : list) {
    list.remove(s);  // 抛出ConcurrentModificationException
}

5.2 Fail-Safe机制

原理：

• 基于集合副本进行操作
• 修改不影响正在进行的迭代
• 典型实现：CopyOnWriteArrayList

特点：

• 不会抛出并发修改异常
• 数据一致性较弱（看到的是操作前的快照）
• 内存开销较大（需要维护副本）

5.3 对比总结

| 特性 | Fail-Fast | Fail-Safe | |---------------|-------------------------|-------------------------| | 并发修改 | 抛出异常 | 继续执行 | | 实现方式 | 修改计数检查 | 数据副本 | | 性能 | 无额外开销 | 需要复制数据 | | 一致性 | 强一致 | 最终一致 | | 典型实现 | ArrayList, HashMap | CopyOnWriteArrayList |

理解这些集合特性和机制，将帮助开发者在实际项目中做出更合理的技术选型，并编写出更健壮的代码。

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