Java集合框架：核心接口与关系全解析

news2025/4/18 19:24:44

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一、集合框架概述

Java集合框架（Java Collections Framework, JCF）是Java中用于存储、操作和管理数据集合的核心工具库。它提供了一套标准化的接口和类，使得开发者能够高效处理数据，同时保证代码的可读性和可维护性。集合框架的核心设计思想是接口与实现分离，通过定义统一的接口规范，允许不同的数据结构实现相同的行为。

二、核心接口层次结构

Java集合框架的核心接口分为两大分支：

单列集合（Collection体系）：用于存储单一元素的集合。
双列集合（Map体系）：用于存储键值对（Key-Value）的映射关系。

以下是核心接口的继承关系图：

Iterable (根接口)
└── Collection
    ├── List
    ├── Set
    │   └── SortedSet → NavigableSet (Java 6+)
    └── Queue
        └── Deque

Map (独立接口)
└── SortedMap → NavigableMap (Java 6+)

三、核心接口详解

1. Iterable

作用：所有集合类的顶级接口，提供遍历集合元素的能力。

核心方法：

Iterator<T> iterator(); // 返回迭代器对象

说明：实现此接口的类支持增强型for循环（for-each）。

2. Collection

作用：所有单列集合的根接口，定义了通用的集合操作方法。

核心方法：

boolean add(E e);         // 添加元素
boolean remove(Object o); // 删除元素
int size();               // 获取元素数量
boolean contains(Object o); // 判断是否包含元素
void clear();             // 清空集合

子接口：List, Set, Queue

3. List

特点：有序、可重复、支持索引访问。

核心扩展方法：

E get(int index);        // 按索引获取元素
E set(int index, E e);   // 修改指定位置元素
void add(int index, E e); // 在指定位置插入元素

常见实现类：ArrayList, LinkedList, Vector

4. Set

特点：无序、不可重复（依赖equals()和hashCode()）。
核心扩展：无新增方法，继承自Collection。
子接口：
- SortedSet：元素按自然顺序或自定义比较器排序。
- NavigableSet（Java 6+）：扩展了导航方法（如ceiling(), floor()）。
常见实现类：HashSet, LinkedHashSet, TreeSet

5. Queue

特点：队列结构，支持FIFO（先进先出）或优先级操作。

核心方法：

boolean offer(E e); // 添加元素（推荐替代add）
E poll();           // 移除并返回队列头元素
E peek();           // 查看队列头元素但不移除

子接口：

Deque（双端队列）：支持两端插入和删除。

void addFirst(E e);  // 头部插入
void addLast(E e);   // 尾部插入
E removeFirst();     // 头部移除

常见实现类：LinkedList, PriorityQueue, ArrayDeque

6. Map

特点：键值对存储，键唯一，值可重复。

核心方法：

V put(K key, V value);      // 添加键值对
V get(Object key);         // 根据键获取值
Set<K> keySet();           // 返回所有键的集合
Collection<V> values();    // 返回所有值的集合

子接口：
- SortedMap：按键自然排序。
- NavigableMap（Java 6+）：支持导航方法（如lowerKey()）。
常见实现类：HashMap, LinkedHashMap, TreeMap, Hashtable

四、接口关系与对比

接口	特点	典型实现类	使用场景
List	有序、可重复、索引访问	ArrayList	频繁查询、顺序访问
Set	无序、唯一	HashSet	去重、快速存在性检查
Queue	队列/优先级管理	PriorityQueue	任务调度、缓冲处理
Deque	双端操作	ArrayDeque	栈、滑动窗口算法
Map	键值对映射	HashMap	缓存、键值关联数据存储

五、设计思想总结

高内聚低耦合：接口定义行为，实现类负责具体逻辑（如ArrayList与LinkedList）。
泛型支持：类型安全，避免强制类型转换。
迭代器模式：通过Iterator统一遍历方式，隐藏底层实现。
扩展性：通过Comparator、Navigable等接口支持灵活扩展。

六、常见问题

List与Set如何选择？
- 需要维护插入顺序或允许重复 → List
- 需要去重或快速查找 → Set
HashMap与TreeMap的区别？
- HashMap：基于哈希表，O(1)时间查询，无序。
- TreeMap：基于红黑树，按键排序，O(log n)时间操作。
为什么推荐使用Deque实现栈？
传统Stack类继承自Vector，存在同步开销，而ArrayDeque性能更优且无锁。