十、java 集合框架

Java 集合框架

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集合整体认知

什么是集合

• 用来存储对象的容器（不能存基本类型，只能存包装类/对象）
• 长度动态可变，对比数组更灵活
• 提供丰富 API：增删改查、遍历、批量操作

集合与数组区别

1. 数组固定长度，集合可变
2. 数组可存基本类型/引用类型，集合只能存引用类型
3. 数组功能简单，集合功能强大
4. 数组效率略高，集合开发效率极高

集合体系两大分支

• Collection：单列集合
  • List：有序、可重复、有索引
  • Set：无序、不可重复、无索引
• Map：双列集合（key-value）
  • key 不可重复，value 可重复

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1. Collection 父接口（所有单列集合的父类）

通用方法（所有实现类都能用）

• add(E e)：添加元素
• addAll(Collection c)：批量添加
• remove(Object o)：删除指定元素
• clear()：清空
• contains(Object o)：是否包含
• isEmpty()：是否为空
• size()：元素个数
• toArray()：转数组
• iterator()：获取迭代器

三种遍历方式

1. 迭代器 Iterator（通用，遍历中可删除）
2. 增强 for 循环（简洁，不能删除）
3. 普通 for（只有 List 支持）

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2. List 接口（有序、可重复、有索引）

特点

• 存取有序
• 元素可重复
• 有索引，可以通过下标操作
• 实现类：ArrayList、LinkedList、Vector

2.1 ArrayList（最常用）

底层结构

• 数组实现：transient Object[] elementData
• 默认容量：10（JDK7 一开始就 10；JDK8 懒加载，第一次 add 才扩容为 10）

扩容机制

• 满了后：1.5 倍扩容
• newCapacity = oldCapacity + oldCapacity >> 1
• 底层调用 Arrays.copyOf 复制数组

优缺点

• 优点：查询快（随机访问 O(1)）、占用内存少
• 缺点：增删慢（需要移动元素 O(n)）

线程安全

不安全，多线程下不能直接用

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2.2 LinkedList

底层结构

• 双向链表
• 内部有 Node 节点：item + next + prev

优缺点

• 优点：增删快（只改指针 O(1)）
• 缺点：查询慢（要遍历 O(n)）

特有方法

• addFirst()、addLast()
• getFirst()、getLast()
• removeFirst()、removeLast()
• 可做栈、队列、双端队列

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2.3 Vector（古老，几乎不用）

• 底层也是数组
• 方法加 synchronized，线程安全
• 扩容：2 倍
• 效率低，被 CopyOnWriteArrayList 替代

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2.4 ArrayList vs LinkedList（必考）

特性	ArrayList	LinkedList
底层	动态数组	双向链表
查询	快 O(1)	慢 O(n)
增删	慢 O(n)	快 O(1)
内存	占用少	占用多（节点）
场景	大量查询	频繁增删

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3. Set 接口（无序、不可重复、无索引）

特点

• 不保证存取顺序
• 不可重复
• 无索引，不能用普通 for
• 实现类：HashSet、LinkedHashSet、TreeSet

3.1 HashSet（最常用）

底层

基于 HashMap 实现，把元素当作 map 的 key

去重原理

1. 先调用 hashCode() 获取哈希值
2. 哈希值不同 → 直接存
3. 哈希值相同 → 调用 equals()
4. equals 相同 → 重复，不存
5. equals 不同 → 链表挂着

初始容量与加载因子

• 默认容量：16
• 加载因子：0.75
• 扩容：2 倍

线程不安全

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3.2 LinkedHashSet

• 继承 HashSet
• 底层 LinkedHashMap
• 保证存取顺序
• 性能略低于 HashSet

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3.3 TreeSet

• 底层 TreeMap（红黑树）
• 自动排序（自然排序 / 比较器排序）
• 元素必须可比较：
  • 实现 Comparable 接口
  • 或传入 Comparator 比较器
• 无序但有序（排序有序）
• 不允许 null 元素

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4. Map 接口（双列集合 key-value）

特点

• key：唯一、不可重复
• value：可重复
• key 允许一个 null（HashMap）
• 实现类：HashMap、LinkedHashMap、TreeMap、Hashtable、ConcurrentHashMap

通用方法

• put(k,v)：添加/修改
• get(k)：根据 key 获取 value
• remove(k)：删除
• containsKey(k) / containsValue(v)
• keySet()：获取所有 key
• entrySet()：获取键值对集合（推荐遍历方式）
• values()：获取所有 value

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5. HashMap（企业使用最多）

底层结构（超级重点）

• JDK1.7：数组 + 链表
• JDK1.8+：数组 + 链表 + 红黑树

链表转红黑树规则

1. 链表长度 ≥ 8
2. 数组长度 ≥ 64 满足才转树，否则优先扩容

红黑树退化为链表

• 节点数 ≤ 6 时退化

哈希冲突解决

• JDK1.7：头插法
• JDK1.8：尾插法（解决并发死链问题）

put 执行流程（面试必考）

1. 第一次 put：初始化数组，容量 16
2. 计算 key 的哈希值 hash = hash(key)
3. 通过 (n-1) & hash 计算数组下标
4. 位置为空 → 直接插入
5. 位置不为空
   • key 相同 → 覆盖 value
   • 是树节点 → 树插入
   • 是链表 → 尾插，判断是否转树
6. 扩容判断：size > 阈值（容量*0.75）→ 2 倍扩容

线程安全

不安全，多线程会出现：

• 数据覆盖
• JDK1.7 可能死循环（链表成环）
• 数据丢失

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6. LinkedHashMap

• 继承 HashMap
• 底层：哈希表 + 双向链表
• 保证遍历顺序 = 插入顺序
• 适合需要有序的缓存场景

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7. TreeMap

• 底层：红黑树
• key 自动排序
• key 必须可比较
• 查询效率 O(logn)
• 不允许 null key

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8. Hashtable（古老，不用）

• 线程安全（方法全加 synchronized）
• 效率极低
• 不允许 null key、null value
• 被 ConcurrentHashMap 替代

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9. 线程安全集合（企业必知）

9.1 Vector

• 线程安全，低效，不推荐

9.2 Collections.synchronizedXXX

• 包装成线程安全集合
• 粒度粗，性能一般

9.3 CopyOnWriteArrayList

• 写时复制，读无锁
• 适合读多写少

9.4 CopyOnWriteArraySet

• 底层 CopyOnWriteArrayList

9.5 ConcurrentHashMap

• 线程安全，高性能
• JDK1.7：分段锁（Segment）
• JDK1.8：CAS + synchronized，红黑树

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10. 集合使用场景总结（企业开发标准）

• 普通列表、查询多 → ArrayList
• 频繁增删、队列/栈 → LinkedList
• 去重、无序 → HashSet
• 去重、保序 → LinkedHashSet
• 排序 → TreeSet
• 普通键值对 → HashMap
• 键值对保序 → LinkedHashMap
• 键排序 → TreeMap
• 高并发线程安全 → ConcurrentHashMap、CopyOnWriteArrayList

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11. 企业真实巨坑（高频 BUG 点）

坑1：ArrayList 并发修改异常 ConcurrentModificationException

遍历（增强 for/迭代器）时调用集合 add/remove 直接抛异常 解决：用迭代器删除，或用普通 for

坑2：HashMap 多线程死循环（JDK1.7）

并发扩容导致链表成环，CPU 100%

坑3：HashSet/HashMap 去重失效

对象只重写 equals 没重写 hashCode → 无法去重

坑4：基本类型数组转 List 陷阱

int[] arr = {1,2,3};
List list = Arrays.asList(arr); // 把整个数组当作一个元素

必须用 Integer[]

坑5：Arrays.asList 返回的 List 不可增删

List<String> list = Arrays.asList("a","b");
list.add("c"); // 抛 UnsupportedOperationException

解决：new ArrayList<>(Arrays.asList(...))

坑6：TreeSet/TreeMap 放不可比较对象

报 ClassCastException

坑7：foreach 遍历中删除元素

必抛并发修改异常

坑8：HashMap 大量哈希冲突导致性能雪崩

恶意构造相同 hashCode 数据，变成链表，性能从 O(1) → O(n)

坑9：集合存放 null 引发 NPE

如 TreeMap、Hashtable 不允许 null key

坑10：List.subList 强转 ArrayList 报错

subList 是内部类，不是 ArrayList，修改原集合会影响子列表

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12. 高频面试题（100% 全覆盖）

1. 集合体系结构？
2. ArrayList 底层与扩容机制？
3. HashMap JDK1.7 vs JDK1.8 区别？
4. 链表转红黑树条件？
5. HashSet 如何去重？
6. HashMap 线程为什么不安全？
7. ConcurrentHashMap 1.7 和 1.8 原理？
8. ArrayList vs LinkedList 区别？
9. HashMap 哈希冲突如何解决？
10. 为什么重写 equals 必须重写 hashCode？
11. Arrays.asList 坑点？
12. 什么是 fail-fast 机制？
13. CopyOnWrite 原理与适用场景？
14. Map 有几种遍历方式？哪种最好？

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