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J2SE 集合框架全景圖：從 Collection 到 Map 的核心架構與實戰代碼

編輯：Java 相關知識

Java 集合框架以 Collection、Map 為雙核心，統一了資料結構操作介面。本文梳理介面繼承體系、核心實現類 (ArrayList/LinkedList/HashSet/HashMap) 關鍵方法原始碼邏輯、迭代器模式、泛型用法，附完整可運行示例代碼。

一、介面繼承體系

Iterable (根)
 └─ Collection
      ├─ List (有序、可重複) → ArrayList, LinkedList, Vector, Stack
      ├─ Set (無序、不可重複) → HashSet, LinkedHashSet, TreeSet
      └─ Queue (佇列) → PriorityQueue, ArrayDeque, LinkedList
Map (獨立介面，鍵值映射) → HashMap, LinkedHashMap, TreeMap, Hashtable, ConcurrentHashMap

Collection 繼承 Iterable → 統一支援 for-each 與 iterator()
AbstractCollection 提供骨架實現，減少子類開發量

二、List 兩大主力原始碼級剖析

ArrayList (動態陣列)

add(E)：末尾添加，滿時擴容 1.5倍+1，Arrays.copyOf
add(index, E)：System.arraycopy 後移元素，插入
remove(index)：後移元素覆蓋，末尾置 null
get/set(index)：陣列下標直達，**O(1) 極快**

LinkedList (雙向鏈表)

內部類 Node<E> { E item; Node<E> next, prev; }
add(E)：尾節點前插入，修改 4 個指標，**O(1)**
add(index, E)：先遍歷定位 (二分優化：從頭/尾較近端起步)，再改指標
remove(index)：定位後斷開指標，**無搬移**
get/set(index)：需遍歷，**O(N)**

結論：大量隨機存取 → ArrayList；頻繁中間增刪 → LinkedList。

三、Set 與查找優化

HashSet：底層 HashMap，add/contains/remove 平均 **O(1)**，首選
TreeSet：紅黑樹，**有序**，O(log N)
LinkedHashSet：雜湊 + 鏈表，**保持插入順序**

四、迭代器設計模式

Iterator 為輕量級物件，統一遍歷介面，支援 remove() 安全刪除。

五、Map 鍵值映射核心操作

put(K, V) / get(K)：雜湊定位桶位，鏈表/樹中比對 equals()
keySet() / values() / entrySet()：三種視圖遍歷
HashMap：無序、高效；TreeMap：有序；LinkedHashMap：插入/存取序

六、完整示例代碼

List + Iterator 實戰


import java.util.*;

public class ListDemo {
    public static void main(String[] args) {
        Collection<Integer> col = new ArrayList<>(Arrays.asList(10,20,30));
        List<Integer> list = new LinkedList<>();
        list.addAll(col);
        list.add(40); list.add(50); list.add(60);

        // Iterator 單向遍歷 + 安全刪除
        Iterator<Integer> it = list.iterator();
        while (it.hasNext()) {
            Integer v = it.next();
            System.out.print(v + " ");
            if (v == 50) it.remove(); // 安全刪除
        }
        System.out.println();

        // ListIterator 雙向遍歷
        ListIterator<Integer> li = list.listIterator();
        while (li.hasNext()) System.out.print(li.next() + " "); // 正向
        System.out.println();
        while (li.hasPrevious()) System.out.print(li.previous() + " "); // 反向
    }
}

Map 實戰


import java.util.*;

public class MapDemo {
    public static void main(String[] args) {
        Map<String,Integer> hm = new HashMap<>();
        hm.put("a1",1); hm.put("b2",2); hm.put("c3",3); hm.put("d4",4); hm.put("e5",5);

        // 遍歷 entrySet (最高效)
        for (Map.Entry<String,Integer> e : hm.entrySet()) {
            System.out.println(e.getKey() + " : " + e.getValue());
        }
        System.out.println("Contains c3: " + hm.containsKey("c3"));
        hm.remove("c3");
        System.out.println("Contains value 3: " + hm.containsValue(3));
        System.out.println("Size: " + hm.size());
    }
}