Java 集合框架详解

敖正炀
113 阅读3分钟

Java集合框架包含List（ArrayList、LinkedList）、Set（HashSet、TreeSet）、Queue（PriorityQueue）和Map（HashMap、ConcurrentHashMap），通过动态数组、链表、红黑树等数据结构实现，提供线程安全方案如分段锁、CAS及写时复制，适用于高并发与不同访问场景。

一、Java 集合框架类图（Mermaid）

IterableCollection«interface»List+add()+get()+remove()«interface»Set+add()+contains()«interface»Queue+offer()+poll()«interface»Map+put()+get()SortedMapArrayListLinkedListVectorCopyOnWriteArrayListHashSetLinkedHashSetTreeSetCopyOnWriteArraySetPriorityQueueArrayDequeLinkedBlockingQueueHashMapLinkedHashMapTreeMapHashtableConcurrentHashMap

image.png

二、核心接口与实现类

1. List（有序、可重复）

  • 实现类：

    • ArrayList：基于动态数组，随机访问快（O(1)），插入删除慢（O(n)）。
    • LinkedList：基于双向链表，插入删除快（O(1)），随机访问慢（O(n)）。
    • Vector：线程安全的动态数组（同步方法），性能差。
    • CopyOnWriteArrayList：写时复制，线程安全，适合读多写少场景。

  • 线程安全：

    • Vector 和 Collections.synchronizedList(new ArrayList<>()) 是同步实现。
    • CopyOnWriteArrayList 通过写时复制实现无锁读。

  • 使用场景：

    • 需要快速随机访问 → ArrayList。
    • 频繁插入删除 → LinkedList。
    • 多线程环境 → CopyOnWriteArrayList 或同步包装类。
2. Set（无序、唯一）

  • 实现类：

    • HashSet：基于 HashMap，无序，O(1) 时间操作。
    • LinkedHashSet：维护插入顺序的 HashSet。
    • TreeSet：基于红黑树，自然排序，O(log n) 时间操作。
    • CopyOnWriteArraySet：基于 CopyOnWriteArrayList，线程安全。

  • 线程安全：

    • CopyOnWriteArraySet 和 Collections.synchronizedSet()。

  • 使用场景：

    • 去重 → HashSet。
    • 需要有序 → TreeSet（排序）或 LinkedHashSet（插入顺序）。
3. Queue（队列）

  • 实现类：

    • PriorityQueue：基于堆，优先级队列。
    • ArrayDeque：基于循环数组，双端队列。
    • LinkedBlockingQueue：基于链表，阻塞队列（线程安全）。

  • 线程安全：

    • LinkedBlockingQueue 和 ArrayBlockingQueue 是线程安全的阻塞队列。

  • 使用场景：

    • 任务调度 → PriorityQueue。
    • 生产者-消费者模型 → LinkedBlockingQueue。
4. Map（键值对）

  • 实现类：

    • HashMap：基于哈希表+链表/红黑树（JDK8+），无序。
    • LinkedHashMap：维护插入顺序或访问顺序。
    • TreeMap：基于红黑树，按键排序。
    • Hashtable：线程安全的 HashMap（同步方法）。
    • ConcurrentHashMap：分段锁（JDK7）或 CAS（JDK8+），高并发优化。

  • 线程安全：

    • Hashtable 和 Collections.synchronizedMap() 是同步实现。
    • ConcurrentHashMap 是高性能线程安全实现。

  • 使用场景：

    • 快速键值查找 → HashMap。
    • 高并发 → ConcurrentHashMap。
    • 需要排序 → TreeMap。

三、核心实现原理

集合类数据结构扩容机制线程安全实现方式
ArrayList动态数组默认扩容为 1.5 倍（int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1)）Collections.synchronizedList
LinkedList双向链表无需扩容无
HashMap数组+链表/红黑树负载因子（默认 0.75）触发扩容ConcurrentHashMap（分段锁/CAS）
ConcurrentHashMap分段锁（JDK7）或 CAS（JDK8+）分段扩容锁粒度更细
CopyOnWriteArrayList动态数组写时复制新数组无锁读，写操作加锁

四、线程安全方案对比

方案实现方式适用场景缺点
synchronized 方法方法级同步（如 Vector）低并发场景性能差（锁竞争）
同步包装类Collections.synchronizedXxx()简单同步需求锁粒度粗
写时复制（COW）CopyOnWriteArrayList读多写少写操作开销大
分段锁（JDK7）ConcurrentHashMap 分段锁高并发读写锁粒度较细
CAS（JDK8+）ConcurrentHashMap 的 CAS高并发且低竞争实现复杂

五、总结

  • 选择依据：

    1. 是否线程安全：单线程选非同步类（如 ArrayList），多线程选 ConcurrentHashMap 或 CopyOnWriteArrayList。
    2. 访问模式：随机访问 → ArrayList，插入删除 → LinkedList。
    3. 排序需求：自然排序 → TreeSet/TreeMap，插入顺序 → LinkedHashSet/LinkedHashMap。
    4. 性能与内存：ArrayDeque 比 LinkedList 内存更紧凑，HashMap 的负载因子可调整。

  • 最佳实践：

    • 避免在循环中直接操作 Collections.synchronizedXxx 集合。
    • 高并发场景优先使用 ConcurrentHashMap 或 CopyOnWriteArrayList。
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