Java 集合框架核心類詳解：List、Set、Map 選型指南

集合體系概覽

Collection
├── List (有序、可重複)
│   ├── ArrayList      (動態數組、非同步、隨機訪問快)
│   ├── LinkedList     (雙向鏈表、非同步、首尾增刪快、可作棧/隊列)
│   ├── Vector         (動態數組、同步、線程安全)
│   └── Stack          (Vector 子類、後進先出)
└── Set (無序、不可重複)
    ├── HashSet        (HashMap 鍵集、非同步)
    └── TreeSet        (紅黑樹、有序)

Map (鍵值映射、不繼承 Collection)
├── Hashtable          (同步、不允許 null 鍵/值)
├── HashMap            (非同步、允許一個 null 鍵、多個 null 值)
└── WeakHashMap        (弱引用鍵、GC 可回收無外部引用鍵)

核心接口契約

Collection

• 兩個標準構造器：無參（空集合）、Collection 參數（複製構造）。
• 統一遍歷方式：Iterator it = c.iterator(); while(it.hasNext()) { Object o = it.next(); }

List

• 有序，索引訪問，允許重複元素。
• 額外提供 ListIterator：雙向遍歷、add()/set()/remove() 修改操作。

Set

• 無重複：e1.equals(e2) == false；最多一個 null。
• 構造器約束：傳入集合不得含重複元素。
• 警惕可變對象：若元素修改導致 equals 判等，將破壞 Set 不變量。

Map

• 鍵唯一，每鍵映射單值。
• 三種視圖：keySet()、values()、entrySet()。

主要實現類深度解析

ArrayList

• 底層 Object[]，size、isEmpty、get、set 為 O(1)；add 均攤 O(1)（擴容觸發 System.arraycopy）。
• ensureCapacity() 預分配可大幅提升批量插入性能。
• 非同步，單線程或外部同步首選。

LinkedList

• 雙向鏈表，實現 Deque、Queue，首尾操作 O(1)。
• 索引訪問 O(n) —— 從離目標最近的一端遍歷。
• 插入/刪除僅調整指針，但需創建 Entry 節點對象（GC 壓力）。
• 非同步；同步包裝器 Collections.synchronizedList() 會帶來 2-3 倍性能損耗（每調用多一層委派）。

Vector & Stack

• Vector 方法同步，迭代器若發現併發修改拋 ConcurrentModificationException。
• Stack 繼承 Vector，提供 push/pop/peek/empty/search。
• 現代併發場景建議改用 java.util.concurrent (如 CopyOnWriteArrayList、ArrayDeque)。

Hashtable

• 同步，put/get O(1)。initialCapacity、loadFactor (默認 0.75) 調優空間/時間。
• 鍵必正確實現 hashCode() 與 equals()：equals 相等 ⇒ hashCode 必相等；僅重寫其一會導致查找失效。

HashMap

• 非同步，允許 null 鍵/值。迭代器遍歷時間與容量成正比，迭代性能敏感場景勿設過大初始容量或過小 loadFactor。
• JDK 8+ 引入紅黑樹優化高衝突桶，但基本契約不變。

WeakHashMap

• 鍵為弱引用：無外部強引用時 GC 可回收鍵及其條目，適用於緩存、監聽器映射等場景。

選型決策表

最佳實踐原則

1. 面向接口編程：聲明用 List/Map/Set，實例化具體實現，便於後續替換。
2. 鍵類正確重寫 hashCode/equals：同時重寫，保持契約一致性。
3. 預估規模預分配：new ArrayList(1000)、new HashMap(512) 減少擴容/重哈希開銷。
4. 併發首選 java.util.concurrent：而非同步包裝器或 Vector/Hashtable。