Java Collections API 客製化實作指南（上）：核心動機與抽象骨架

為什麼要自造集合？

Java 平台提供的 ArrayList、HashMap 等通用實作已覆蓋 99% 場景，但特定領域仍需客製化：

• 持久化集合： 資料需跨 JVM 存活，底層掛接資料庫或分散式存儲（如 Redis、Cassandra）。
• 應用專屬語意： 即時遙測資料的 Map，get() 觸發感測器讀取而非記憶體查找。
• 高併發場景： JDK 同步包裝器鎖定整個集合，吞吐率低；需分段鎖（如 ConcurrentHashMap）或無鎖資料結構。
• 特定效能優化：
  • 小定義域 Set → 位向量，O(1) 空間極小。
  • 大量重複元素 List → 執程長編碼，犧牲隨機存取換空間。
• 功能增強： 兼具 Hash 查找與插入順序迭代的 LinkedHashMap；允許重複元素的 Multiset（Bag）。
• 便利性封裝： 單一鍵值對的不可變 Map、連續整數區間 List 等工具類。
• 適配器模式： 將舊有專屬集合 API 包裝為標準 Collection 介面，無縫接入新框架。

抽象實作類：客製化的捷徑

Java 提供 AbstractCollection、AbstractList、AbstractSet、AbstractMap 等骨架類，已實作介面中非核心方法（如 toString()、containsAll()），僅需實作核心抽象方法：

範例：Arrays.asList() 內部實作

public static List asList(Object[] a) {
    return new ArrayList(a);  // 內部私有類別
}
private static class ArrayList extends AbstractList
        implements RandomAccess, java.io.Serializable {
    private final Object[] a;
    ArrayList(Object[] array) { this.a = array; }
    public Object get(int index) { return a[index]; }
    public Object set(int index, Object element) {
        Object old = a[index];
        a[index] = element;
        return old;
    }
    public int size() { return a.length; }
    // 其餘 add/remove 拋出 UnsupportedOperationException
}

此實作：

1. 繼承 AbstractList 自動獲得 indexOf、contains、toArray 等預設行為。
2. 實作 RandomAccess 標記介面，讓 Collections.sort 等演算法選用隨機存取優化路徑。
3. 底層直接包裝陣列，固定大小、不支援結構性修改，極輕量。

下一步預告

下集將實戰打造一個「高併發、分段鎖、支援 TTL 過期淘汰」的 CacheMap，示範如何組合 AbstractMap、ConcurrentHashMap 內部結構與 ScheduledExecutorService 實現企業級快取組件。