JAVASE-集合-集合体系

1、集合框架体系

(1) 核心组件说明

组件类型	代表类/接口	功能描述
迭代器	Iterator, ListIterator	提供统一的遍历契约，支持 fail-fast 机制。
排序接口	Comparable, Comparator	定义对象的自然排序和定制排序逻辑。
工具类	Collections	提供集合操作的静态方法（排序、逆序、线程安全化等）。

(2) Collection 接口继承树

单列集合体系，主要用于存储一系列符合某种规则的元素。

graph TD
    
    Collection(Collection 接口) --> List(List 接口: 有序/重复/索引)
    Collection --> Set(Set 接口: 无序/唯一)
    
    List --> Vector[Vector]
    List --> ArrayList[ArrayList]
    List --> LinkedList[LinkedList]
    
    Set --> HashSet[HashSet]
    HashSet --> LinkedHashSet[LinkedHashSet]
    Set --> SortedSet(SortedSet)
    SortedSet --> TreeSet[TreeSet]

(3) Map 接口继承树

双列集合体系，存储 Key-Value 映射关系。

graph TD
    Map(Map 接口) --> Hashtable[Hashtable: 线程安全/不可为null]
    Hashtable --> Properties[Properties: 属性配置读取]
    
    Map --> HashMap[HashMap: 高性能/哈希表实现]
    HashMap --> LinkedHashMap[LinkedHashMap: 链表记录插入顺序]
    
    Map --> SortedMap(SortedMap 接口)
    SortedMap --> TreeMap[TreeMap: 红黑树实现/按Key排序]

2、Collections API

APi行为明细：

分类	常用 API	深度解析与重点备注
增	add(E e), addAll(coll)	返回值语义：返回 true 表示集合结构发生了变化。若 Set 集合已存在该元素，add 会返回 false。
判断	size(), isEmpty(), contains(obj), containsAll(coll), equals(obj)	核心依赖：contains 严重依赖元素的 equals() 方法。如果存入的对象没有正确重写 equals，查找将失效。
删除	clear(), remove(obj), removeAll(coll), retainAll(coll)	性能预警：removeAll 和 retainAll 实现的是集合求差/交集。在 ArrayList 中其复杂度为 $O(n^2)$，处理大数据量时需慎重。
视图转换	toArray(), toArray(T[] a)	避坑：无参 toArray() 返回 Object[]。推荐使用带参数版本 list.toArray(new String[0]) 以获取具体类型数组并避免强转异常。
迭代	iterator()	唯一性：这是获取 Iterator 对象的唯一标准入口，是实现单列集合遍历的基础。

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3、Iterator

(1) 核心接口定义

Collection 接口继承了 Iterable，这规定了所有单列集合必须具备“可迭代性”。

• Iterable 接口：
  • 职责：声明实现类支持迭代。
  • 核心方法：Iterator<T> iterator()，用于获取一个全新的迭代器对象。
• Iterator 接口：
  • 职责：具体的遍历执行者，通过维护内部指针（Cursor）来控制访问进度。
  • 核心 API：
    1. boolean hasNext()：判断指针后方是否仍有可访问元素。
    2. E next()：指针后移并返回跨过的元素。
    3. void remove()：删除刚跨过 即最后一次 next 返回的元素。

(2) 迭代器执行原理 迭代器是一个一次性的“状态机”。它并不拷贝集合数据，而是直接在原集合上通过指针移动实现访问。

• 初始化：调用 iterator() 时，指针（Cursor）位于第一个元素之前。
• 探测：调用 hasNext() 检查后续空间。
• 移动与获取：调用 next()，指针跨过元素并将其返回。
• 安全清理：若需删除，必须在 next() 之后立即执行 remove()。

(3) 核心重点：Fail-Fast (快速失败) 机制

这是 JCF 架构中为了保证数据安全而设计的一致性探测机制。

• 底层变量：
  • modCount：定义在集合类中（如 ArrayList），记录集合结构发生修改（add/remove）的总次数。被标记为 transient 避免序列化。
  • expectedModCount：定义在迭代器内部，初始化时拷贝自 modCount。
• 判定逻辑： 在迭代器执行 next() 或 remove() 时，会立即调用 checkForComodification() 方法： $\text{if } (modCount \neq expectedModCount) \Rightarrow \text{throw ConcurrentModificationException}$
• 关键差异（避坑）：
  1. list.remove()：仅更新 modCount。迭代器无法感知这一变化，导致下次 next() 时两者不相等，触发异常。
  2. iterator.remove()：在删除元素后，会自动执行 expectedModCount = modCount 同步计数器，因此它是唯一安全的运行时删除方式。

(4) Iterator 与 ListIterator 归纳对比

针对 List 家族，Java 提供了更强大的子接口 ListIterator：

特性	Iterator (通用)	ListIterator (List 专用)
遍历方向	只能单向向后	支持双向 (hasPrevious / previous)
修改能力	仅支持 remove	支持 add (新增), set (修改), remove
索引操作	不支持	可获取 nextIndex() 和 previousIndex()
使用限制	所有 Collection 均可使用	仅限 List 体系