Java基础（三：集合框架：List、Set、Map）

Java Collections Framework (JCF) 是一个统一的架构，用于表示和操作集合。它包含以下主要组件：

• Interfaces：定义了不同类型的集合行为
• Implementations：提供了接口的具体实现
• Algorithms：对集合执行有用的操作的方法

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主要接口分类

1. Collection 接口

这是集合层次结构的根接口。

子接口：

List 接口

• 特点：有序集合（序列），允许重复元素
• 索引访问：可以通过整数索引访问元素
• 主要实现类：
  • ArrayList: 动态数组实现，非线程安全
  • LinkedList: 双向链表实现，适合频繁插入删除
  • Vector: 同步版本的 ArrayList
  • Stack: 继承自 Vector，后进先出栈

主要方法：

    - **添加元素**：
    - `add(E element)`：在列表末尾添加元素

• add(int index, E element)：在指定位置插入元素

• addAll(Collection<? extends E> c)：添加集合中的所有元素

• 访问元素： - get(int index)：获取指定位置的元素

  • indexOf(Object o)：返回指定元素第一次出现的索引
  • lastIndexOf(Object o)：返回指定元素最后一次出现的索引

• 修改元素： - set(int index, E element)：替换指定位置的元素

• 删除元素： - remove(int index)：删除指定位置的元素

  • remove(Object o)：删除指定元素的第一个匹配项

• 其他方法： - size()：返回列表大小

  • isEmpty()：判断列表是否为空
  • `subList(int fr

// 示例用法
List<String> list = new ArrayList<>();
list.add("item1");
list.add(0, "item2"); // 在指定位置插入

Set 接口

• 特点：不允许重复元素的集合
• 主要实现类：
  • HashSet: 基于哈希表实现，无序且快速查找
  • LinkedHashSet: 保持插入顺序的 HashSet
  • TreeSet: 基于红黑树实现，排序集合

主要方法：

• 添加元素：

  • add(E e)：添加元素，如果集合中已存在该元素则返回false

• 删除元素：

  • remove(Object o)：删除指定元素

• 批量操作：

  • addAll(Collection<? extends E> c)：添加集合中的所有元素
  • removeAll(Collection<?> c)：删除集合中包含的所有元素
  • retainAll(Collection<?> c)：只保留集合中包含的元素

• 查询操作：

  • contains(Object o)：检查是否包含指定元素
  • size()：返回集合大小
  • isEmpty()：判断集合是否为空

// 示例用法
Set<Integer> set = new HashSet<>();
set.add(1);
set.add(2);

Queue 接口

• 特点：队列，通常按照先进先出(FIFO)原则排序
• 主要实现类：
  • LinkedList: 实现了 Queue 接口
  • PriorityQueue: 基于堆的优先级队列
  • ArrayDeque: 双端队列实现

主要方法：

• 添加元素：

  • add(E e)：添加元素，如果队列满则抛出异常
  • offer(E e)：添加元素，如果队列满则返回false

• 移除元素：

  • remove()：移除并返回队首元素，如果队列空则抛出异常
  • poll()：移除并返回队首元素，如果队列空则返回null

• 检查元素：

  • element()：返回队首元素但不移除，如果队列空则抛出异常
  • peek()：返回队首元素但不移除，如果队列空则返回null

// 示例用法
Queue<String> queue = new LinkedList<>();
queue.offer("first");
String item = queue.poll(); // 移除并返回头部元素

2. Map 接口

• 注意：不继承自 Collection 接口
• 特点：键值对映射关系，键唯一
• 主要实现类：
  • HashMap: 哈希表实现，允许null键和值
  • LinkedHashMap: 保持插入顺序的 HashMap
  • TreeMap: 基于红黑树的排序Map
  • Hashtable: 同步版本，不推荐使用
  • ConcurrentHashMap: 线程安全的HashMap替代品

主要方法：

• 添加/替换映射：

  • put(K key, V value)：添加键值对
  • putAll(Map<? extends K, ? extends V> m)：复制所有映射
  • putIfAbsent(K key, V value)：如果键不存在则添加

• 查询操作：

  • get(Object key)：根据键获取值
  • getOrDefault(Object key, V defaultValue)：获取值，如果键不存在则返回默认值
  • containsKey(Object key)：检查是否包含指定键
  • containsValue(Object value)：检查是否包含指定值

• 删除操作：

  • remove(Object key)：根据键删除映射
  • remove(Object key, Object value)：只有当键值匹配时才删除

• 视图方法：

  • keySet()：返回键的Set视图
  • values()：返回值的Collection视图
  • entrySet()：返回键值对的Set视图

• 其他方法：

  • size()：返回映射数量
  • isEmpty()：判断映射是否为空
  • clear()：清空所有映射

// 示例用法
Map<String, Integer> map = new HashMap<>();
map.put("key", 1);
Integer value = map.get("key");

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特殊用途集合

并发集合 (java.util.concurrent)

• CopyOnWriteArrayList: 写时复制的线程安全List
• ConcurrentLinkedQueue: 高性能并发队列
• BlockingQueue: 支持阻塞操作的队列接口及其实现

工具类

• Collections: 提供静态方法操作或返回集合
• Arrays: 操作数组的工具类，可转为List

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性能对比与选择建议

集合类型	查找效率	插入/删除效率	是否有序	允许重复	线程安全
ArrayList	O(n)	O(n)	是	是	否
LinkedList	O(n)	O(1)	是	是	否
HashSet	O(1)	O(1)	否	否	否
TreeSet	O(log n)	O(log n)	是(排序)	否	否
HashMap	O(1)	O(1)	否	键否值是	否
TreeMap	O(log n)	O(log n)	是(排序)	键否值是	否

根据具体需求选择合适的集合类型可以显著提升程序性能。