Java 集合框架架構詳細解析

Java 集合框架概述

Java 集合框架提供了一套管理對象集合的統一接口與類，包含介面、實現類與演算法。它位於 java.util 套件中，是 Java 開發中處理資料結構的核心基礎設施。

核心介面體系

Collection 介面

Collection 是最基礎的集合介面，代表一組 Object（元素）。它不直接提供實作類，而是透過子介面 List 和 Set 來定義具體行為。所有實作 Collection 的類別必須提供兩個標準建構子：無參數建構子建立空集合，以及接受另一個 Collection 參數的建構子用於複製元素。

遍歷集合：Iterator 模式

無論具體實作為何，所有 Collection 都支援 iterator() 方法，回傳一個 Iterator 物件，使我們能逐一存取元素：

Iterator it = collection.iterator();
while (it.hasNext()) {
    Object obj = it.next();
    // 處理 obj
}

List 介面：有序、可重複

List 繼承自 Collection，保持元素插入順序，允許重複元素，並支援索引存取（類似陣列）。常用實作類有 ArrayList、LinkedList、Vector 和 Stack。List 還提供 listIterator() 回傳 ListIterator，支援雙向遍歷與元素修改。

ArrayList：動態陣列

• 底層為可變大小陣列，允許 null 元素。
• size、isEmpty、get、set 為常數時間；add 為攤還常數時間。
• 非同步，效率較高；可透過 ensureCapacity 預先擴容提升大量插入效能。

LinkedList：雙向鏈結串列

• 實作 List 介面，允許 null，提供首尾操作方法，可作為堆疊、佇列或雙端佇列使用。
• 非同步，多執行緒環境需自行同步（如 Collections.synchronizedList）。

Vector：同步動態陣列

• 功能類似 ArrayList，但方法為同步，執行緒安全。
• 迭代器在並發修改時會拋出 ConcurrentModificationException。

Stack：後進先出堆疊

• 繼承 Vector，提供 push、pop、peek、empty、search 等堆疊操作。

Set 介面：不重複集合

Set 不允許重複元素（以 equals() 判斷），最多包含一個 null。建構子要求傳入的 Collection 不含重複元素。需注意可變物件若在放入後修改導致 equals 回傳 true，會破壞 Set 不變性。

Map 介面：鍵值對映射

Map 不繼承 Collection，提供 Key 到 Value 的映射，Key 唯一。提供三種視圖：Key 集合、Value 集合、Key-Value 對集合。

Hashtable：同步雜湊表

• Key/Value 不可為 null；put/get 為常數時間。
• 透過 initialCapacity 和 loadFactor (預設 0.75) 調整效能。
• Key 必須正確覆寫 hashCode() 和 equals()，否則會導致查找失敗。

HashMap：非同步雜湊表

• 允許 null Key 和 Value；非同步，效能優於 Hashtable。
• 迭代時間與容量成正比，避免初始容量過大或 load factor 過低。

WeakHashMap：弱引用映射

• Key 為弱引用，外部無強引用時可被 GC 回收，適合快取場景。

選擇指南與最佳實踐

• 頻繁插入/刪除：選 LinkedList。
• 快速隨機存取：選 ArrayList。
• 單執行緒/單一執行緒存取：優先用非同步類別（ArrayList、HashMap）提升效能。
• 多執行緒共享：使用同步類別（Vector、Hashtable）或 Collections.synchronizedXxx 包裝。
• Map 的 Key：務必同時覆寫 equals() 和 hashCode()。
• 面向介面編程：回傳型別宣告為 List、Set、Map 而非具體實作類，便於日後替換實作。