集合框架概述

前置知识

在阅读本章前，你需要了解：

• Java 基础语法
• 面向对象编程的概念（类、接口、继承）
• 基本的数据类型和数组使用

为什么需要集合框架？

想象一下，在你的项目中需要存储大量的数据，比如用户信息、订单列表或者商品目录。你可能会下意识地使用数组，但数组有一个不小的缺陷——它的长度是固定的，扩展起来非常不方便。而且，处理这些数据时，常常需要进行搜索、排序、去重等操作，直接用数组你常常得自己写一堆繁琐的代码。

这就是 Java 集合框架登场的理由。它给我们提供了一套灵活、高效、统一的工具，不管是想顺序存储，还是快速查找，或者是维护不重复元素，集合框架都能帮你搞定。这一章，我们就一起走进 Java 集合的世界，看看它是如何设计的，为什么它让程序员的工作变得轻松了不少。

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Collection 和 Map 两大体系

先说个大概念

Java 集合框架内部其实有两大“大家庭”：

• Collection 家族 —— 用来存储一组元素，像是一箱装满了书的盒子。
• Map 家族 —— 用来存储键值对，像一张身份证号对应姓名的表。

这些类别底下还有很多不同的实现，比如 ArrayList、HashSet、HashMap 等，它们各自有自己独特的使用场景和性能特点。

Collection接口详解

Collection 是所有“收集元素”的超接口，它又细分为三大接口：

• List：元素有顺序，可以重复，像排好队的列车，比如 ArrayList 和 LinkedList。
• Set：元素无序，且不能重复，像一群独立的朋友，比如 HashSet 和 TreeSet。
• Queue：先进先出，适合排队场景，比如 LinkedList（同时实现了 List 和 Queue）和 PriorityQueue（优先级队列）。

这些接口定义了集合应有的行为，比如增删改查，遍历等等。

Map接口详解

Map 存储的是“键值对”，你给一串钥匙（键），它对应着一扇门（值）。每个钥匙是唯一的，但一扇门可能被不同钥匙指向。典型的实现有：

• HashMap：基于哈希表，查找速度快但无序。
• TreeMap：基于红黑树，保持键的自然顺序。
• LinkedHashMap：保持插入顺序。

为什么这么分？

这就像是我们把不同的存储需求分门别类。你用箱子装东西用的是Collection，要做钥匙-房间匹配要用Map。每种数据结构都适合不同的“战场”，明白这点能帮我们选对工具，而不是“砸锤子当螺丝刀用”。

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迭代器模式简介

在没有集合框架之前，Java 程序员遍历集合只能靠下标循环（数组）或者大量的条件判断，这很难维护，也容易出错。Java 集合框架引入了迭代器模式，让我们能用统一的方式遍历不同的集合。

迭代器就像一个指挥官，帮你一步步“访问”集合中的每个元素，而不需要关心集合内部是怎么存储的。你只需要问它：“下一个元素是什么？”它就能告诉你。

Java 提供了 Iterator 和 ListIterator 来完成这件事，分别适用于不同的集合类型。它们不仅让遍历更简洁，还支持在遍历过程中安全地删除元素。

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代码示例

例 1 - 简单使用 ArrayList 和 Iterator 遍历

import java.util.ArrayList;
import java.util.Iterator;
import java.util.List;

public class SimpleCollectionDemo {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建一个动态数组，存储字符串
        List<String> fruitList = new ArrayList<>();
        fruitList.add("苹果");
        fruitList.add("香蕉");
        fruitList.add("橘子");

        // 使用迭代器遍历集合
        Iterator<String> iterator = fruitList.iterator();
        System.out.println("水果清单:");
        while (iterator.hasNext()) {
            String fruit = iterator.next(); // 获取下一个元素
            System.out.println(fruit);
        }
    }
}

这段代码做了什么？

1. 初始化一个空的 ArrayList 用来存储水果名字。
2. 往列表中添加三个元素。
3. 通过迭代器依次访问列表里的元素并打印。

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例 2 - 使用 HashSet 去重，结合增强 for 循环遍历

import java.util.HashSet;
import java.util.Set;

public class HashSetDemo {
    public static void main(String[] args) {
        Set<String> citySet = new HashSet<>();
        citySet.add("北京");
        citySet.add("上海");
        citySet.add("广州");
        citySet.add("上海"); // 重复元素不会被添加

        System.out.println("城市集合:");
        for (String city : citySet) {
            System.out.println(city);
        }
    }
}

这段代码做了什么？

1. 建立一个 HashSet 对象，自动帮你保证无重复。
2. 添加四个城市，其中“上海”重复，HashSet 能自动忽略重复。
3. 使用增强的 for 循环遍历集合元素，保证代码简洁。

这里我们看到，Set 能帮你轻松去重，以前你可能需要写判断逻辑，现在一行代码搞定。

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例 3 - 使用 HashMap 存储键值对并遍历

import java.util.HashMap;
import java.util.Map;

public class HashMapDemo {
    public static void main(String[] args) {
        Map<Integer, String> userMap = new HashMap<>();
        userMap.put(1001, "张三");
        userMap.put(1002, "李四");
        userMap.put(1003, "王五");

        System.out.println("用户信息:");
        // 遍历 map 的键值对
        for (Map.Entry<Integer, String> entry : userMap.entrySet()) {
            Integer userId = entry.getKey();
            String userName = entry.getValue();
            System.out.println("用户ID：" + userId + "，姓名：" + userName);
        }
    }
}

这段代码做了什么？

1. 创建一个 HashMap 用于存储用户ID和姓名的对应关系。
2. 通过put方法插入了三条数据。
3. 使用 entrySet 和增强 for 循环遍历所有键值对，打印内容。

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集合选择策略

选择合适的集合，关键是看你的需求：

需求	推荐类型	说明
有序且可能重复的列表	ArrayList/LinkedList	ArrayList 查找快，LinkedList 插入删除快
保证元素唯一	HashSet	无序，查询添加速度快
需要排序	TreeSet	按自然顺序或比较器排序
先进先出队列	LinkedList/PriorityQueue	PriorityQueue 支持优先级排序
键值对存储，快速查找	HashMap	无序，查找/插入速度快
键值对存储，保持插入顺序	LinkedHashMap	保留插入顺序
键值对存储，需要排序	TreeMap	保持键的排序，这样你可以做范围查询

这张表基本涵盖了日常开发中大多数典型场景。别急着选，先想清楚你的数据特点和性能需求，再拿出“对症下药”的集合。

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⚠️ 常见陷阱

很多新手程序员喜欢用 ArrayList 替代所有集合场景，但当元素数量变大时，频繁的插入和删除操作会导致性能大幅下降。因为 ArrayList 底层是数组，移除或插入中间元素时，需要移动后续所有元素。

如果你的程序涉及大量此类操作，考虑使用 LinkedList 或合适的 Set/Map 实现，可以避免这个问题。

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💡 实战建议

• 统一接口，灵活替换：编程时尽量声明为接口类型（如 List<String> list = new ArrayList<>();），这样后续如果需要换 LinkedList，只需修改构造器即可。
• 选择最合适的实现：别一味追求花哨功能，牢记“简单高效”原则。
• 线程安全需求：默认集合不是线程安全的，如需并发访问，考虑使用 Collections.synchronizedXXX 或 JUC 包中的并发集合。
• 掌握迭代器删除：永远避免在循环中用普通 for 配合 remove，它会抛异常，要使用迭代器的 remove() 方法。

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小结

• Java 集合框架分为两大体系：Collection（存储单元素）和 Map（存储键值对）。
• 通过迭代器统一了各种集合的遍历方式，大大简化代码。
• 根据不同需求选择合适的集合类型，可以让程序既高效又清晰。
• 牢记常见坑，比如频繁对 ArrayList 删除元素带来的性能问题。

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课后思考

• 你遇到过哪些场景用错集合导致性能或者程序出错的问题？你是如何定位和解决的？
• 如果需要一个同时支持元素唯一且按加入顺序遍历的集合，你会选择哪种实现？为什么？
• 你能实现一个简单的迭代器模式示例吗？这对理解源码有帮助。

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这章内容，是你未来玩转 Java 集合的第一把钥匙。做几遍练习，相信你马上能从困惑走向熟练。下一章，我们会深入了解各个集合实现的底层数据结构及其性能特点，敬请期待！