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Java 集合框架详解：从基础到进阶

2026-01-03 07:21:58 · 作者: AI Assistant · 浏览: 1
标签: Java 集合 框架 详解 基础 进阶

Java 集合框架是 Java 语言中处理数据集合的重要工具，它包含多种数据结构如 List、Set 和 Queue。本文将深入介绍这些集合的实现原理、应用场景和性能优化，帮助开发者更好地理解和使用 Java 集合框架。

Java 集合框架是 Java 语言中处理数据集合的重要工具，它为开发者提供了丰富的数据结构选择，包括 List、Set 和 Queue。这些集合类在实际开发中被广泛使用，理解它们的实现原理和性能特性是提升代码质量和系统性能的关键。本文将深入介绍这些集合的具体实现、使用场景以及性能调优策略。

Java 集合框架概述

Java 集合框架可以分为两个主要分支：Collection 和 Map。Collection 包括 List、Set 和 Queue，它们提供了不同的数据存储和访问方式。Map 则用于存储键值对，常见的实现包括 HashMap 和 TreeMap。

List

List 是一个有序、可重复的集合，支持通过下标访问元素。主要的实现类有 ArrayList、LinkedList、Vector 和 Stack。

ArrayList

ArrayList 是基于动态数组实现的，支持随机存取，可以通过下标直接访问元素。它的优势在于从尾部插入和删除元素时效率较高，但从中间插入或删除元素时需要移动大量元素，效率较低。ArrayList 在内部数组容量不足时会自动扩容，因此在处理大量元素时可能效率较低。

LinkedList

LinkedList 是基于双向链表实现的，不支持随机存取，只能通过遍历找到元素。它的优势在于任意位置插入和删除元素都很方便，因为只需要改变前一个节点和后一个节点的引用即可。由于每个节点都需要存储前一个和后一个节点的引用，因此 LinkedList 相对 ArrayList 占用更多的内存空间。

Vector 和 Stack

Vector 和 Stack 是 List 的早期实现类。Vector 是线程安全的，其方法上加了 synchronized 关键字，导致执行效率较低。Stack 是 Vector 的一个子类，实现了先进后出的功能，但同样因为方法上加了 synchronized 关键字，执行效率较低，已被 ArrayDeque 取代。

Set

Set 是一个无序、不可重复的集合，主要的实现类有 HashSet、LinkedHashSet 和 TreeSet。

HashSet

HashSet 是基于 HashMap 实现的，其键用于操作，值由一个固定的 Object 对象填充。HashSet 不维护元素的插入顺序，因此在实际开发中较少使用。它主要用于去重，例如统计一篇文章中有多少个不重复的单词。

LinkedHashSet

LinkedHashSet 是基于 LinkedHashMap 实现的，它继承自 HashSet 并且使用链表维护了元素的插入顺序。因此，LinkedHashSet 既具有 HashSet 的快速查找、插入和删除操作的优点，又可以维护元素的插入顺序。

TreeSet

TreeSet 是基于 TreeMap 实现的，它实现了 SortedSet 接口，可以自动对集合中的元素进行排序。TreeSet 按照键的自然顺序或指定的比较器顺序进行排序，但不允许插入 null 元素。

Queue

Queue 是一个遵循先进先出（FIFO）原则的集合，主要的实现类有 ArrayDeque 和 LinkedList。

ArrayDeque

ArrayDeque 是基于数组实现的双端队列，支持在队列的两端进行元素的插入和删除操作。它使用循环数组来实现这一功能，因此在处理大量数据时效率较高。

LinkedList

LinkedList 通常被认为是 List 的实现类，但它也实现了 Deque 接口，可以作为队列使用。LinkedList 和 ArrayDeque 都是 Java 集合框架中的双向队列（deque），但它们在实现上有所不同：LinkedList 是基于链表实现的，而 ArrayDeque 是基于数组实现的。

List 的具体实现

ArrayList 的增删改查

ArrayList<String> list = new ArrayList<>();
list.add("王二");
list.add("沉默");
list.add("陈清扬");

for (int i = 0; i < list.size(); i++) {
    String s = list.get(i);
    System.out.println(s);
}

for (String s : list) {
    System.out.println(s);
}

list.remove(1);
for (String s : list) {
    System.out.println(s);
}

list.set(1, "王二狗");
for (String s : list) {
    System.out.println(s);
}

ArrayList 是由数组实现的，支持随机存取，可以通过下标直接访问元素。从尾部插入和删除元素会比较快捷，但从中间插入和删除元素则需要复制和移动数组元素，效率较低。当内部数组的容量不足时，ArrayList 会自动扩容，因此在处理大量元素时效率会比较低。

LinkedList 的增删改查

LinkedList<String> list = new LinkedList<>();
list.add("王二");
list.add("沉默");
list.add("陈清扬");

for (int i = 0; i < list.size(); i++) {
    String s = list.get(i);
    System.out.println(s);
}

for (String s : list) {
    System.out.println(s);
}

list.remove(1);
for (String s : list) {
    System.out.println(s);
}

list.set(1, "王二狗");
for (String s : list) {
    System.out.println(s);
}

LinkedList 是由双向链表实现的，不支持随机存取，只能从一端开始遍历，直到找到需要的元素后返回。任意位置插入和删除元素都很方便，因为只需要改变前一个节点和后一个节点的引用即可。由于每个元素都存储了前一个和后一个节点的引用，因此 LinkedList 相对 ArrayList 占用更多的内存空间。

Vector 和 Stack

Vector 和 Stack 是 List 的早期实现类。Vector 是线程安全的，其方法上加了 synchronized 关键字，导致执行效率较低。Stack 是 Vector 的一个子类，实现了先进后出的功能，但同样因为方法上加了 synchronized 关键字，执行效率较低，已被 ArrayDeque 取代。

Set 的具体实现

HashSet 的增删改查

HashSet<String> set = new HashSet<>();
set.add("沉默");
set.add("王二");
set.add("陈清扬");

System.out.println("HashSet size: " + set.size()); // output: 3

boolean containsWanger = set.contains("王二");
System.out.println("Does set contain '王二'? " + containsWanger); // output: true

boolean removeWanger = set.remove("王二");
System.out.println("Removed '王二'? " + removeWanger); // output: true

boolean removeChenmo = set.remove("沉默");
boolean addBuChenmo = set.add("不沉默");
System.out.println("Modified set? " + (removeChenmo && addBuChenmo)); // output: true

System.out.println("HashSet after modification: " + set); // output: [陈清扬, 不沉默]

HashSet 主要用于去重，例如统计一篇文章中有多少个不重复的单词。它是用 HashMap 实现的，HashMap 的键是唯一的，相同键的值会覆盖掉原来的值，因此 HashSet 会自动去重。

LinkedHashSet 的增删改查

LinkedHashSet<String> set = new LinkedHashSet<>();

set.add("沉默");
set.add("王二");
set.add("陈清扬");

set.remove("王二");

set.remove("沉默");
set.add("沉默的力量");

boolean hasChenQingYang = set.contains("陈清扬");
System.out.println("set包含陈清扬吗？" + hasChenQingYang);

LinkedHashSet 是基于 LinkedHashMap 实现的，它继承自 HashSet 并且使用链表维护了元素的插入顺序。因此，LinkedHashSet 既具有 HashSet 的快速查找、插入和删除操作的优点，又可以维护元素的插入顺序。

TreeSet 的增删改查

TreeSet<String> set = new TreeSet<>();

set.add("沉默");
set.add("王二");
set.add("陈清扬");

System.out.println(set); // output: [沉默, 王二, 陈清扬]

set.remove("王二");
System.out.println(set); // output: [沉默, 陈清扬]

set.remove("陈清扬");
set.add("陈青阳");
System.out.println(set); // output: [沉默, 陈青阳]

System.out.println(set.contains("沉默")); // output: true
System.out.println(set.contains("王二")); // output: false

TreeSet 是基于 TreeMap 实现的，它实现了 SortedSet 接口，可以自动对集合中的元素进行排序。TreeSet 按照键的自然顺序或指定的比较器顺序进行排序，但不允许插入 null 元素。

Queue 的具体实现

ArrayDeque 的增删改查

ArrayDeque<String> deque = new ArrayDeque<>();

deque.add("沉默");
deque.add("王二");
deque.add("陈清扬");

deque.remove("王二");

deque.remove("沉默");
deque.add("沉默的力量");

boolean hasChenQingYang = deque.contains("陈清扬");
System.out.println("deque包含陈清扬吗？" + hasChenQingYang);

ArrayDeque 是基于数组实现的双端队列，支持在队列的两端进行元素的插入和删除操作。它使用循环数组来实现这一功能，因此在处理大量数据时效率较高。

LinkedList 作为 Queue

LinkedList 通常被认为是 List 的实现类，但它也实现了 Deque 接口，可以作为队列使用。LinkedList 和 ArrayDeque 都是 Java 集合框架中的双向队列（deque），但它们在实现上有所不同：LinkedList 是基于链表实现的，而 ArrayDeque 是基于数组实现的。

总结

Java 集合框架是 Java 语言中处理数据集合的重要工具，它包含多种数据结构如 List、Set 和 Queue。这些集合类在实际开发中被广泛使用，理解它们的实现原理和性能特性是提升代码质量和系统性能的关键。在选择使用哪种集合时，需要根据具体的业务场景和需求来决定，以确保代码的高效性和可读性。

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