Java Collection集合框架：體系、核心與選型

一、集合框架的頂層設計：接口與層次

1. 兩大核心接口：Collection?和?Map

2. Collection接口的三大派系

二、核心實現類詳解

1. List家族實現

2. Set家族實現

3. Queue/Deque家族實現

PriorityQueue：

ArrayDeque：

三、如何選擇正確的集合？

總結原則：

Java集合框架（Java Collections Framework, JCF）是一個用于表示和操作集合的統一架構。它封裝了各種經典的數據結構，提供了了一系列接口、實現和算法，極大地提高了開發效率和數據處理的靈活性。

一、集合框架的頂層設計：接口與層次

集合框架的核心圍繞著一組清晰的接口展開，這種“面向接口編程”的設計使得算法和數據結構解耦，非常靈活。

首先必須明確，Java集合分為兩大家族：

（由于您問的是Collection，我們主要聚焦于此，但會簡要對比Map以形成完整認知）。

Collection?接口下主要有三個子接口，定義了三種不同的集合特性：

List（列表） - 有序、可重復
- 核心特征：元素有明確的順序（插入順序），可以通過索引（下標）精確訪問元素，且允許存儲重復元素。
- 好比：一個動態數組。
Set（集） - 無序、不可重復
- 核心特征：不允許包含重復元素。最多包含一個null元素。大多數實現不保證維護元素的順序。
- 好比：數學中的“集合”概念。
Queue（隊列） - 先進先出（FIFO） / 優先級隊列
- 核心特征：用于在處理之前保存元素的集合。除了基本的收集功能，還提供了額外的插入、提取和檢查操作。
- 子接口：Deque（雙端隊列），支持在兩端插入和移除元素。
- 好比：現實中的排隊。

為了更直觀地理解這個層次結構，下圖描繪了Collection集合框架的核心接口與實現類之間的關系：

光有接口不夠，我們需要看它們的具體實現。上述圖表中列出的實現類，是我們在日常開發中最常打交道的對象。

ArrayList：
- 底層結構：動態數組。
- 特點：查詢快（隨機訪問），增刪慢。因為基于數組，通過索引查詢的時間復雜度是O(1)；但在中間插入或刪除元素需要移動后續所有元素，效率是O(n)。
- 適用場景：讀多寫少，需要頻繁根據索引訪問元素的場景。
LinkedList：
- 底層結構：雙向鏈表。
- 特點：增刪快，查詢慢。在鏈表頭尾增刪元素效率很高O(1)，但在指定位置插入或查詢需要遍歷鏈表，效率是O(n)。
- 額外功能：實現了Deque接口，可以被用作棧、隊列或雙端隊列。
- 適用場景：寫多讀少，需要頻繁在頭部和尾部進行插入刪除操作的場景。
Vector（已過時）：
- 與ArrayList類似，但它是線程安全的（方法上用synchronized修飾）。
- 因其性能差，已被Collections.synchronizedList()和JUC包下的并發容器（如CopyOnWriteArrayList）取代。

HashSet：
- 底層結構：基于HashMap，只使用了Key來存儲元素，Value是一個固定的Object對象。
- 特點：無序，查詢效率非常高（O(1)）。它是最常用的Set。
- 原理：通過元素的hashCode()和equals()方法來判斷是否重復。
LinkedHashSet：
- HashSet的子類。
- 特點：在HashSet的基礎上，維護了一個雙向鏈表來記錄插入順序。即迭代順序與插入順序一致。
- 適用場景：既需要去重，又需要保證插入順序。
TreeSet：
- 底層結構：基于TreeMap（紅黑樹）。
- 特點：元素有序（不是插入順序，而是根據元素的自然順序或提供的Comparator進行排序）。
- 適用場景：需要對元素進行自動排序的場景。

PriorityQueue：
- 特點：優先級隊列。元素根據自然順序或Comparator進行排序，出隊總是按優先級最高（值最小）的順序。
- 底層結構：通常基于二叉堆實現。
- 適用場景：任務調度等需要按優先級處理的場景。
ArrayDeque：
- 特點：基于動態數組實現的雙端隊列。效率高于LinkedList，且沒有容量限制。
- 適用場景：作為棧（替代老舊的Stack類）或隊列使用。是實現FIFO隊列和LIFO棧的首選。

選擇集合的核心在于根據業務場景權衡其底層數據結構的特性。

場景	首選接口	推薦實現類	理由
需要根據索引快速訪問	`List`	`ArrayList`	隨機訪問性能O(1)
需要頻繁在頭尾增刪元素	`List`,?`Queue`,?`Deque`	`LinkedList`?或?`ArrayDeque`	鏈表增刪快，`ArrayDeque`作隊列更高效
只需要存儲不重復元素	`Set`	`HashSet`	去重且查詢效率最高
需要去重且保持插入順序	`Set`	`LinkedHashSet`	`HashSet`?+ 維護插入順序
需要元素自動排序	`Set`	`TreeSet`	基于紅黑樹實現排序
需要實現隊列/棧	`Queue`/`Deque`	`ArrayDeque`	效率高，無容量限制
需要優先級處理	`Queue`	`PriorityQueue`	基于堆實現優先級

默認選擇：ArrayList?(List),?HashSet?(Set),?ArrayDeque?(Queue/Stack)。
線程安全：上述集合均非線程安全。多線程環境下應使用Collections.synchronizedXXX()包裝器或java.util.concurrent包下的并發集合（如CopyOnWriteArrayList,?ConcurrentHashMap）。

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