Java 集合框架核心：Hashtable、HashMap、WeakHashMap、HashSet、TreeSet 詳解

本文系統整理 Java 集合框架中 Map 與 Set 體系的核心實現類，涵蓋特性對比、原理機制、效能調優參數與最佳實踐。

Hashtable

• 繼承 Dictionary、實作 Map，同步安全（方法加 synchronized）
• Key/Value 不允許 null
• 預設初始容量 11，擴容公式：old * 2 + 1
• 負載因子預設 0.75，平衡時間與空間
• Key 必須正確實作 hashCode() 與 equals()

HashMap (JDK 1.8+)

• 繼承 AbstractMap，非同步，允許 一個 null Key、多個 null Value
• 預設初始容量 16（2 的冪次），擴容 2 倍
• 鏈表 + 紅黑樹（鏈表長度 > 8 且容量 > 64 時樹化）
• 迭代器為 fail-fast，併發環境建議用 ConcurrentHashMap
• get() 回傳 null 不代表 key 不存在，需用 containsKey() 判斷

WeakHashMap

• Key 為弱引用，Key 無強引用時 GC 可回收，對應 entry 自動移除
• 適用於生命週期跟隨 Key 的快取、元數據儲存
• 同樣非同步，併發需外部同步

HashSet

• 基於 HashMap 實作（Value 固定為 PRESENT 物件）
• 不保證順序，非同步，允許一個 null 元素
• 預設初始容量 16，負載因子 0.75
• 迭代時間與容量成正比，大量資料建議預設合適初始容量

TreeSet

• 基於 TreeMap（紅黑樹）實作，有序（自然順序或 Comparator）
• 操作時間複雜度 O(log n)，比 HashSet 慢但支援範圍查詢
• 元素必須實作 Comparable 或提供 Comparator
• 無調優參數，適合需排序、範圍操作的場景

選擇指南

效能調優提醒

• 預估資料量，設定合適 initialCapacity 避免頻繁擴容
• 負載因子過高（>0.75）增加碰撞，過低浪費記憶體
• Key 類務必重寫 hashCode() 與 equals()，且保持一致性
• 避免在迭代過程中修改集合（會拋 ConcurrentModificationException）