Java Collections 實現機制深度解析（下）：包裝器與便利實現

繼上篇介紹通用實現後，本文聚焦 包裝器實現 與 便利實現——兩種為特定場景提供增強功能或輕量替代的設計模式。

包裝器實現：裝飾者模式的經典應用

包裝器將現有集合委託操作，並疊加額外功能，符合 Decorator 模式。所有實現均為匿名類，透過 Collections 靜態工廠方法獲取。

同步包裝器：線程安全的透明層

六大核心介面均提供同步版本：

Collections.synchronizedCollection(Collection c)
Collections.synchronizedSet(Set s)
Collections.synchronizedList(List list)
Collections.synchronizedMap(Map m)
Collections.synchronizedSortedSet(SortedSet s)
Collections.synchronizedSortedMap(SortedMap m)

關鍵規則：所有存取必須透過返回的包裝器，切勿保留對底層集合的引用。建立慣用語：

List<String> list = Collections.synchronizedList(new ArrayList<>());

迭代時需手動同步（迭代屬多步操作，需原子性）：

Collection<String> c = Collections.synchronizedCollection(myCollection);
synchronized (c) {
    Iterator<String> i = c.iterator(); // 必須在同步區塊內
    while (i.hasNext()) foo(i.next());
}

Map 視圖迭代陷阱：同步鎖必須鎖 Map 本身，而非視圖：

Map<String, String> m = Collections.synchronizedMap(new HashMap<>());
Set<String> s = m.keySet(); // 無需同步區塊
synchronized (m) { // 鎖 m，非 s！
    Iterator<String> i = s.iterator();
    while (i.hasNext()) foo(i.next());
}

缺點：無法呼叫包裝類特有的非介面方法（如 ArrayList.ensureCapacity）。

不可變包裝器：唯讀視角的守門人

透過攔截修改操作並拋出 UnsupportedOperationException 實現不可變性。兩大用途：

1. 凍結集合：建立後不保留底層引用，絕對不可變。
2. 唯讀傳遞：保留底層引用自用，對外暴露包裝器，實現「二等公民」唯讀存取。

六大介面對應靜態方法：unmodifiableCollection、unmodifiableSet、unmodifiableList、unmodifiableMap、unmodifiableSortedSet、unmodifiableSortedMap。

便利實現：小而美的專用工具

陣列的 List 視圖：Arrays.asList

返回陣列支援的 List 視圖，雙向同步修改。大小固定，add/remove 拋出異常。雙重用途：

• 橋接陣列 API 與集合 API
• 建立固定大小、高效能的列表：List<Object> list = Arrays.asList(new Object[size]);

不可變多重拷貝列表：Collections.nCopies

// 初始化 1000 個 null 的 ArrayList
List<String> list = new ArrayList<>(Collections.nCopies(1000, null));

// 尾部新增 69 個 "fruit bat"
lovablePets.addAll(Collections.nCopies(69, "fruit bat"));

不可變單例集合：Collections.singleton

單元素 Set，適用於：

// 移除集合中所有特定元素
c.removeAll(Collections.singleton(e));

// 移除 Map 中值為 LAWYER 的所有項目
profession.values().removeAll(Collections.singleton(LAWYER));

空集合常數

Collections.EMPTY_SET、Collections.EMPTY_LIST：避免建立新物件，作為需集合參數方法的空值傳遞。

善用包裝器與便利實現，能以最小代價獲得線程安全、不可變性與特定場景的高效能，是精通 Collections Framework 的關鍵進階技能。