Java 集合框架核心實現類深度解析：Collection、Map 體系與最佳選型指南

Java 集合框架整體架構

JDK java.util 套件提供完整資料結構實現，核心介面繼承關係：

Collection
├── List          // 有序、可重複
│   ├── ArrayList  // 動態陣列，隨機存取快
│   ├── LinkedList // 雙向鏈表，首尾增刪快
│   ├── Vector     // 同步版 ArrayList
│   └── Stack      // 繼承 Vector，LIFO 棧
└── Set           // 無序、不可重複
    ├── HashSet    // HashMap 底層
    ├── LinkedHashSet // 保持插入順序
    └── TreeSet    // 紅黑樹，有序

Map               // Key-Value 映射
├── HashMap       // 非同步、允許 null
├── Hashtable     // 同步、不允許 null
├── LinkedHashMap // 保持插入/存取順序
├── TreeMap       // 紅黑樹，Key 有序
└── WeakHashMap   // Weak Reference Key，適合快取

核心介面與實現類深度解析

Collection 介面：統一遍歷契約

所有實現類必須提供：

• 無參建構子（建立空集合）
• 單參 Collection 建構子（複製集合）
• iterator() 方法回傳 Iterator 統一遍歷

Iterator<E> it = collection.iterator();
while (it.hasNext()) {
    E element = it.next();
    // 處理元素
}

List 介面：有序集合的隨機存取

ArrayList 擴容機制：預設容量 10，擴容 1.5 倍。大量新增前呼叫 ensureCapacity() 可減少擴容開銷。

Set 介面：去重集合

• 依賴 equals() 判斷重複，最多一個 null
• 元素不可變性至關重要：若放入後修改導致 equals() 變化，會破壞 Set 不變量

Map 介面：鍵值映射

HashMap Key 設計鐵律：必須正確重寫 hashCode() 與 equals()，且 Key 物件放入後不可變更相關欄位。建議用 String、Integer 等不可變包裝類作 Key。

Collections 工具類：高階操作一站式

java.util.Collections 提供靜態方法操作集合：

• 排序：sort(list)、sort(list, comparator)
• 洗牌：shuffle(list) 隨機打亂
• 反轉：reverse(list)
• 填充：fill(list, obj) 全部替換為指定元素
• 複製：copy(dest, src) 覆蓋目標列表前段
• 極值：min/max(collection)、min/max(collection, comparator)
• 子列表搜尋：indexOfSubList、lastIndexOfSubList
• 旋轉：rotate(list, distance) 循環位移

選型決策指南

1. 需棧/佇列操作 → LinkedList 或 ArrayDeque (JDK 6+ 推薦)
2. 需快速增刪、少量隨機存取 → LinkedList
3. 需快速隨機存取、尾部新增為主 → ArrayList
4. 需去重 → HashSet / LinkedHashSet
5. 需 Key-Value 映射 → HashMap (單執行緒) / ConcurrentHashMap (多執行緒)
6. 需 Key 有序或範圍查詢 → TreeMap
7. 需快取自動清理 → WeakHashMap / LinkedHashMap + removeEldestEntry