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Java集合框架（Collections Framework）入门

article 2024/9/23 10:29:21

Java集合框架（Collections Framework）是Java中一套强大且灵活的数据结构工具集，它为开发者提供了处理对象组（如列表、集和映射）的标准化方式。通过集合框架，开发者可以轻松地管理和操作不同类型的数据集合，从而提高程序的灵活性和可维护性。

本文将深入解析Java集合框架的基本组成，介绍常用集合类型及其使用场景，帮助你更好地掌握集合在Java开发中的应用。

1. Java集合框架概述

Java集合框架是一套用于存储和操作数据集合的标准化API。它包括接口、实现类以及用于集合操作的工具类。Java集合框架的设计非常灵活，支持对集合的高效增删查操作，还能通过多种方式进行数据遍历。

集合框架主要分为三大类：

List：有序的对象集合，允许重复元素。
Set：不允许重复元素的集合，通常没有特定的顺序。
Map：键值对的集合，其中每个键唯一映射到一个值。

2. List接口：有序且可重复

List接口用于表示有序的元素集合，允许元素重复。常见的实现类包括ArrayList、LinkedList和Vector。List是我们在处理序列、列表数据时最常用的集合类型。

2.1 `ArrayList`：基于数组的动态列表

ArrayList是List接口的一个常用实现，它是基于动态数组实现的，允许快速访问任意元素。由于数组是动态扩展的，因此ArrayList的容量可以根据需要增长。

示例代码：

import java.util.ArrayList;

public class ArrayListExample {
    public static void main(String[] args) {
        ArrayList<String> list = new ArrayList<>();
        list.add("Apple");
        list.add("Banana");
        list.add("Orange");

        // 遍历列表
        for (String fruit : list) {
            System.out.println(fruit);
        }
    }
}

优点：

访问速度快：通过索引快速访问元素。
插入与删除效率高（末尾操作）。

缺点：

插入、删除中间元素时，性能较低（需要移动其他元素）。

2.2 `LinkedList`：链表实现的列表

LinkedList基于双向链表实现，适用于频繁在列表中间进行插入、删除操作的场景。

示例代码：

import java.util.LinkedList;

public class LinkedListExample {
    public static void main(String[] args) {
        LinkedList<String> list = new LinkedList<>();
        list.add("Dog");
        list.add("Cat");
        list.addFirst("Rabbit");  // 在开头插入
        list.addLast("Horse");    // 在末尾插入

        // 遍历列表
        for (String animal : list) {
            System.out.println(animal);
        }
    }
}

优点：

插入和删除效率高（尤其是中间位置）。

缺点：

访问速度较慢（需要逐个遍历找到元素）。

3. Set接口：不允许重复的集合

Set接口用于存储不允许重复的元素集合，常见的实现类包括HashSet、LinkedHashSet和TreeSet。在处理唯一值的集合时，Set是非常有用的选择。

3.1 `HashSet`：基于哈希表的集合

HashSet基于哈希表实现，它是Set接口的一个实现，存储的元素没有特定的顺序，查找和插入元素的速度非常快。

示例代码：

import java.util.HashSet;

public class HashSetExample {
    public static void main(String[] args) {
        HashSet<Integer> set = new HashSet<>();
        set.add(1);
        set.add(2);
        set.add(3);
        set.add(1);  // 重复元素不会被添加

        // 遍历集合
        for (Integer num : set) {
            System.out.println(num);
        }
    }
}

优点：

查找速度快。
不允许重复元素。

缺点：

无法保证元素顺序。

3.2 `TreeSet`：排序的集合

TreeSet基于红黑树实现，它是Set接口的一个实现，能够确保元素按照自然顺序（或通过指定的比较器）进行排序。

示例代码：

import java.util.TreeSet;

public class TreeSetExample {
    public static void main(String[] args) {
        TreeSet<String> set = new TreeSet<>();
        set.add("Banana");
        set.add("Apple");
        set.add("Mango");

        // 遍历排序后的集合
        for (String fruit : set) {
            System.out.println(fruit);
        }
    }
}

优点：

元素自动排序。

缺点：

插入、删除速度较慢（相比于HashSet）。

4. Map接口：键值对的集合

Map接口用于存储键值对，常见实现类包括HashMap、LinkedHashMap和TreeMap。Map允许通过键快速查找对应的值，键必须是唯一的。

4.1 `HashMap`：基于哈希表的键值对集合

HashMap是Map接口的一个常用实现，基于哈希表实现，键和值都可以是null。它的查找、插入速度非常快。

示例代码：

import java.util.HashMap;

public class HashMapExample {
    public static void main(String[] args) {
        HashMap<String, Integer> map = new HashMap<>();
        map.put("Apple", 1);
        map.put("Banana", 2);
        map.put("Orange", 3);

        // 查找键对应的值
        System.out.println("Apple count: " + map.get("Apple"));
    }
}

优点：

查找和插入速度快。
可以存储null值。

缺点：

无法保证键值对的顺序。

4.2 `TreeMap`：排序的键值对集合

TreeMap基于红黑树实现，确保键按照自然顺序或自定义顺序进行排序。

示例代码：

import java.util.TreeMap;

public class TreeMapExample {
    public static void main(String[] args) {
        TreeMap<String, Integer> map = new TreeMap<>();
        map.put("Banana", 2);
        map.put("Apple", 1);
        map.put("Mango", 3);

        // 遍历排序后的键值对
        for (String key : map.keySet()) {
            System.out.println(key + " -> " + map.get(key));
        }
    }
}