Java 的集合框架（Java Collections Framework, JCF）是 Java 中用于存儲和操作數據結構的核心庫，提供了豐富的接口和實現類，用于處理不同類型的集合數據。以下是詳細的介紹：

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一、集合框架的體系結構

Java 集合主要分為兩大接口：

1. Collection 接口：存儲單一元素。
   • 子接口：List（有序可重復）、Set（無序不可重復）、Queue（隊列）。
2. Map 接口：存儲鍵值對（Key-Value）。

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二、Collection 接口及實現類

1. List（有序、可重復）

• 特點：元素按插入順序存儲，允許重復。
• 常用實現類：
  • ArrayList：
    • 基于動態數組實現，支持快速隨機訪問（通過索引）。
    • 初始容量為 10，擴容時增長 50%（newCapacity = oldCapacity + oldCapacity >> 1）。
    • 線程不安全，適用于讀多寫少的場景。
  • LinkedList：
    • 基于雙向鏈表實現，插入和刪除效率高（時間復雜度 O(1)）。
    • 支持隊列（Queue）和雙端隊列（Deque）操作。
  • Vector（已過時）：
    • 線程安全的動態數組，所有方法用 synchronized 修飾，性能較差。
    • 替代方案：使用 Collections.synchronizedList(new ArrayList<>()) 或 CopyOnWriteArrayList（并發場景）。

2. Set（無序、不可重復）

• 特點：元素唯一，不保證順序。
• 常用實現類：
  • HashSet：
    • 基于 HashMap 實現，元素存儲在鍵的位置（值用 PRESENT 對象占位）。
    • 依賴 hashCode() 和 equals() 保證唯一性。
    • 時間復雜度：添加、刪除、查詢均為 O(1)。
  • LinkedHashSet：
    • 繼承 HashSet，內部通過鏈表維護插入順序。
    • 適合需要按插入順序遍歷的場景。
  • TreeSet：
    • 基于紅黑樹（TreeMap）實現，元素按自然順序或自定義 Comparator 排序。
    • 時間復雜度：添加、刪除、查詢均為 O(log n)。

3. Queue（隊列）

• 特點：先進先出（FIFO）或優先級的元素處理。
• 常用實現類：
  • LinkedList：可作為普通隊列使用。
  • PriorityQueue：
    • 基于堆結構實現，元素按優先級排序。
    • 自然順序或通過 Comparator 定義順序。
  • ArrayDeque：
    • 基于循環數組實現的雙端隊列，適合高效的頭尾操作。

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三、Map 接口及實現類

• 特點：鍵值對存儲，鍵唯一。
• 常用實現類：
  • HashMap：
    • 基于數組+鏈表/紅黑樹（Java 8+），鍵的哈希值決定存儲位置。
    • 允許 null 鍵和 null 值，線程不安全。
    • 擴容機制：默認容量 16，負載因子 0.75（容量達到閾值時擴容為 2 倍）。
  • LinkedHashMap：
    • 繼承 HashMap，通過鏈表維護插入順序或訪問順序（LRU 緩存）。
  • TreeMap：
    • 基于紅黑樹實現，鍵按自然順序或自定義 Comparator 排序。
  • Hashtable（已過時）：
    • 線程安全的哈希表，被 ConcurrentHashMap 取代。
  • ConcurrentHashMap：
    • 分段鎖（Java 7）或 CAS + synchronized（Java 8+）實現高并發。
    • 推薦替代 Hashtable 用于多線程場景。

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四、工具類 Collections

提供對集合的常用操作：

• 排序：Collections.sort(list)
• 線程安全包裝：Collections.synchronizedList(list)
• 不可變集合：Collections.unmodifiableList(list)
• 查找極值：Collections.max(collection)

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五、迭代器 Iterator

• 作用：遍歷集合元素。
• fail-fast 機制：
  • 在遍歷過程中檢測到集合被修改（如 add/remove），立即拋出 ConcurrentModificationException。
  • 適用于 ArrayList、HashMap 等非線程安全集合。
• fail-safe 機制：
  • 遍歷時對原集合的修改不影響迭代器（如 ConcurrentHashMap 的迭代器）。

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六、Java 8+ 新特性

1. Lambda 表達式與集合：

   list.forEach(element -> System.out.println(element));
   

2. Stream API：

   list.stream().filter(e -> e > 5).map(e -> e * 2).collect(Collectors.toList());
   

3. HashMap 優化：
   • 當鏈表長度 ≥ 8 時轉換為紅黑樹，提高查詢效率。

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七、如何選擇集合類？

• 需要唯一性：Set（HashSet、TreeSet）。
• 需要有序性：List（ArrayList、LinkedList）。
• 鍵值對存儲：Map（HashMap、ConcurrentHashMap）。
• 多線程環境：ConcurrentHashMap、CopyOnWriteArrayList。
• 排序需求：TreeSet、TreeMap。

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八、示例代碼

// List 示例
List<String> arrayList = new ArrayList<>();
arrayList.add("Java");
arrayList.add("Python");// Set 示例
Set<Integer> hashSet = new HashSet<>();
hashSet.add(1);
hashSet.add(2);// Map 示例
Map<String, Integer> hashMap = new HashMap<>();
hashMap.put("Apple", 10);
hashMap.put("Banana", 20);// 使用 Stream 過濾
List<Integer> numbers = Arrays.asList(1, 2, 3, 4, 5);
List<Integer> evenNumbers = numbers.stream().filter(n -> n % 2 == 0).collect(Collectors.toList());

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通過理解集合框架的結構和特性，可以更高效地選擇適合業務場景的數據結構。