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一、Java集合框架概览

Java集合框架（Java Collections Framework, JCF）是Java中用于存储和操作数据集合的核心工具，主要分为两大接口：

• Collection：存储单一元素（List、Set、Queue）
• Map：存储键值对（HashMap、TreeMap）

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二、核心集合类详解

1. List接口（有序、可重复）

ArrayList

• 初始化：

  List<String> list = new ArrayList<>();          // 默认容量10
  List<String> list2 = new ArrayList<>(20);       // 指定初始容量
  

• 排序：

  Collections.sort(list);                        // 自然排序（元素需实现Comparable）
  Collections.sort(list, (a, b) -> b.compareTo(a)); // 自定义排序
  

• 长度：list.size()
• 判空：list.isEmpty()
• 使用场景：频繁随机访问（get/set），数据量较小。
• 注意事项：
  • 线程不安全，多线程环境需同步。
  • 扩容机制（默认扩容1.5倍），频繁插入需预分配容量。

LinkedList

• 初始化：

  LinkedList<String> linkedList = new LinkedList<>();
  

• 使用场景：频繁在头尾插入/删除（如实现栈、队列）。
• 注意事项：随机访问效率低（时间复杂度O(n)）。

List对比表

特性	ArrayList	LinkedList
底层结构	动态数组	双向链表
随机访问速度	O(1)	O(n)
头部插入/删除速度	O(n)	O(1)
内存占用	较低（无指针）	较高（存储指针）

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2. Set接口（无序、唯一）

HashSet

• 初始化：

  Set<String> set = new HashSet<>(20, 0.9f); // 指定容量和负载因子
  

• 判空：set.isEmpty()
• 使用场景：快速去重、判断元素存在性。
• 注意事项：元素需正确实现hashCode()和equals()。

TreeSet

• 初始化：

  Set<Integer> treeSet = new TreeSet<>(Comparator.reverseOrder()); // 逆序
  

• 使用场景：需要有序且唯一的元素集合。
• 注意事项：插入/删除时间复杂度O(log n)。

Set对比表

特性	HashSet	TreeSet
底层结构	哈希表	红黑树
元素顺序	无序	自然/自定义排序
时间复杂度（增删查）	O(1) 平均	O(log n)

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3. Queue接口（队列）

PriorityQueue

• 初始化：

  Queue<Integer> pq = new PriorityQueue<>(Comparator.reverseOrder()); // 大顶堆
  

• 使用场景：任务调度（按优先级处理）、Top K问题。
• 注意事项：线程不安全，队首元素为最小值（默认自然排序）。

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4. Map接口（键值对）

HashMap

• 初始化：

  Map<String, Integer> map = new HashMap<>(20, 0.8f); // 指定容量和负载因子
  

• 排序：

  // 按键排序
  TreeMap<String, Integer> sortedMap = new TreeMap<>(map);
  

• 使用场景：快速键值存取、缓存实现。
• 注意事项：键对象需正确实现hashCode()和equals()。

LinkedHashMap

• 使用场景：保留插入顺序或实现LRU缓存。

  Map<String, Integer> lruCache = new LinkedHashMap<>(16, 0.75f, true) {@Overrideprotected boolean removeEldestEntry(Map.Entry eldest) {return size() > 100; // 保留最近100个访问}
  };
  

Map对比表

特性	HashMap	TreeMap	LinkedHashMap
底层结构	哈希表	红黑树	哈希表+链表
顺序	无序	按键排序	插入/访问顺序
时间复杂度（增删查）	O(1) 平均	O(log n)	O(1) 平均

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三、工具类与线程安全

1. Collections工具类

• 排序与安全：

  Collections.sort(list);                          // 排序
  List<String> syncList = Collections.synchronizedList(list); // 线程安全包装
  

2. 线程安全集合

场景	非线程安全类	线程安全替代方案
高并发List	ArrayList	CopyOnWriteArrayList
高并发Map	HashMap	ConcurrentHashMap
高并发Queue	PriorityQueue	PriorityBlockingQueue

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四、最佳实践与使用场景

1. 常见场景推荐

需求	推荐集合	理由
快速查询元素	ArrayList / HashMap	随机访问时间复杂度O(1)
频繁插入删除（头尾）	LinkedList	链表操作时间复杂度O(1)
数据去重	HashSet	哈希表去重效率高
需要自然排序	TreeSet / TreeMap	红黑树自动维护有序性
实现LRU缓存	LinkedHashMap	通过accessOrder和removeEldestEntry
高并发环境	ConcurrentHashMap	分段锁保证线程安全

2. 注意事项总结

• 线程安全：默认集合类非线程安全，多线程环境需显式同步。
• 初始容量：预估数据量，避免频繁扩容（如ArrayList默认扩容1.5倍）。
• 对象一致性：HashSet/HashMap的键对象不可变，避免哈希值变化。
• 迭代器安全：遍历时修改集合可能引发ConcurrentModificationException。

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五、Java 8+ 增强

Stream API操作集合

List<String> filteredList = list.stream().filter(s -> s.startsWith("A")).map(String::toUpperCase).collect(Collectors.toList());

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六、总结

Java集合框架提供了丰富的工具类，开发者应根据具体需求选择合适的集合类型：

• 查询多 → ArrayList / HashMap
• 增删多 → LinkedList / LinkedHashMap
• 排序需求 → TreeSet / TreeMap
• 线程安全 → ConcurrentHashMap / CopyOnWriteArrayList

正确使用集合框架能显著提升代码性能和可维护性。建议结合场景需求，合理选择初始容量、排序方式及线程安全策略。