Java 容器類深度解析：Collection、List、Map 體系與選型指南

容器類體系總覽

Collection (介面)
├── List (有序、可重複)
│   ├── ArrayList  (動態陣列，非同步)
│   ├── LinkedList (雙向鏈表，非同步)
│   ├── Vector     (動態陣列，同步)
│   └── Stack      (繼承 Vector，LIFO)
└── Set (無序、不可重複)
    ├── HashSet
    ├── LinkedHashSet
    └── TreeSet

Map (介面，不繼承 Collection)
├── HashMap      (非同步，允許 null)
├── Hashtable    (同步，不允許 null)
├── LinkedHashMap
├── TreeMap
└── WeakHashMap  (弱引用 Key)

核心介面詳解

Collection 介面

最基礎集合介面，代表一組 Object。所有實現類必須提供兩個建構子：無參（空集合）、單參 Collection（複製集合）。遍歷統一使用 Iterator：

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

List 介面：有序、可重複、支援索引

• 精確控制插入位置
• 支援 get(index)、set(index, element) 隨機存取
• ListIterator：雙向遍歷、可新增/刪除/修改

ArrayList：動態陣列

• 底層 Object[] elementData
• get/set/size/isEmpty：O(1)
• add：均攤 O(1)，擴容 1.5 倍
• 插入/刪除中間元素：O(n) 位移開銷
• 非同步，效能優於 Vector
• 大量插入前可 ensureCapacity() 預分配

LinkedList：雙向鏈表

• 首尾操作 O(1)：addFirst、removeLast 等
• 索引存取 O(n) 需遍歷
• 適合堆疊、佇列、雙端佇列場景
• 每個元素額外 Node 物件開銷

Vector：同步動態陣列

• 方法皆 synchronized，執行緒安全
• 擴容 2 倍
• 迭代器為 fail-fast：併發修改拋 ConcurrentModificationException
• 效能較差，單執行緒環境不建議使用

Stack：LIFO 堆疊

• 繼承 Vector，push/pop/peek/empty/search
• 同步開銷大，現代建議用 ArrayDeque

Set 介面：不可重複

• 依賴 equals() 判斷重複
• 最多一個 null
• 可變物件加入後勿修改影響 equals() 的欄位

Map 介面：Key-Value 映射

• Key 唯一，每個 Key 映射單一 Value
• 三種視圖：keySet()、values()、entrySet()

HashMap：高效雜湊表

• 非同步，允許 null Key/Value
• JDK 8+：鏈表轉紅黑樹優化碰撞
• 迭代開銷與容量成正比，勿設過大初始容量或過小負載因子

Hashtable：同步雜湊表

• 同步，不允許 null
• 同樣需正確實作 hashCode() 與 equals()

WeakHashMap：弱引用 Key

• Key 不再被外部引用時可被 GC 回收
• 適用快取場景

Key 正確實作 hashCode() 與 equals()

// 核心契約：
// 1. equals 相等 → hashCode 必相等
// 2. hashCode 相等 → equals 不一定相等 (碰撞)
// 3. 必須同時覆寫兩者，否則 HashMap/Hashtable 異常
@Override
public boolean equals(Object o) { ... }
@Override
public int hashCode() { ... }

同步性與選型決策樹

擴容機制對比

• Vector：預設 2 倍
• ArrayList：1.5 倍 (newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1))
• 大量資料場景：預設初始容量避免頻繁擴容複製

實務建議

1. 面向介面編程：回傳 List 而非 ArrayList，便於後續替換實現
2. 避免硬編碼具體類別：List<String> list = new ArrayList<>();
3. 極致效能：Peter Haggar 建議直接用陣列 String[] 避免同步、方法呼叫、擴容開銷
4. 迭代器失效：併發修改集合時，使用並發容器或手動同步