Java 集合框架全解析：List、Set、Map 核心實現與最佳實踐

Java 集合框架全解析：List、Set、Map 核心實現與最佳實踐

集合框架是 Java 開發中處理資料群組的基石。本文系統梳理 Collection 體系架構，深入解析 List（ArrayList、LinkedList、Vector、Stack）、Set（HashSet、TreeSet、LinkedHashSet）、Map（HashMap、Hashtable、WeakHashMap）的核心原理、適用場景與典型代碼範例，助你精準選型、高效開發。

1. 集合框架總覽

所有集合類位於 java.util 套件。集合儲存的是物件引用而非物件本身。主要介面關係：

Collection
├── List (有序、可重複)
│   ├── ArrayList
│   ├── LinkedList
│   ├── Vector
│   │   └── Stack
└── Set (無序、不可重複)
    ├── HashSet
    ├── TreeSet
    └── LinkedHashSet

Map (鍵值對、Key 不重複)
├── HashMap
├── Hashtable
└── WeakHashMap

2. List 介面與實現

2.1 ArrayList - 動態陣列

• 底層：可調整大小的陣列，隨機存取 O(1)，插入/刪除 O(n)。
• 非同步，效能優於 Vector。
• 適用：頻繁讀取、較少增刪的場景。

List<String> list = new ArrayList<>();
list.add("A"); list.add("B");
list.remove(0); // 移除索引 0
for (String s : list) System.out.println(s);

2.2 LinkedList - 雙向鏈表

• 底層：雙向鏈表，首尾增刪 O(1)，隨機存取 O(n)。
• 實現 Deque，可作堆疊、佇列使用。
• 適用：頻繁頭尾增刪、佇列/堆疊場景。

LinkedList<String> dll = new LinkedList<>();
dll.addFirst("First"); dll.addLast("Last");
System.out.println(dll.getFirst()); // First
System.out.println(dll.getLast());  // Last

2.3 Vector - 同步動態陣列

• 方法皆 synchronized，執行緒安全但效能較差。
• 可指定初始容量與增量。
• 現多被 Collections.synchronizedList 或 CopyOnWriteArrayList 取代。

2.4 Stack - 後進先出堆疊

• 繼承 Vector，提供 push/pop/peek/empty/search。
• 建議改用 ArrayDeque（非同步、效能更好）。

Stack<Integer> st = new Stack<>();
st.push(1); st.push(2);
System.out.println(st.pop()); // 2

3. Set 介面與實現

3.1 HashSet - 雜湊集合

• 底層 HashMap，依 hashCode() 與 equals() 判重，存取 O(1)。
• 元素無序，不可重複。
• 自定義物件必須正確重寫 hashCode() 與 equals()。

class Student {
    int id;
    @Override public int hashCode() { return id; }
    @Override public boolean equals(Object o) {
        return o instanceof Student && ((Student)o).id == this.id;
    }
}
Set<Student> set = new HashSet<>();
set.add(new Student(1));
set.add(new Student(1)); // 不會重複加入

3.2 TreeSet - 有序集合

• 底層紅黑樹，元素按自然順序（實作 Comparable）或自訂 Comparator 排序。
• 插入/查詢 O(log n)。

class Student implements Comparable<Student> {
    int id;
    public int compareTo(Student o) { return this.id - o.id; }
}
Set<Student> ts = new TreeSet<>();
ts.add(new Student(5)); ts.add(new Student(1));
// 迭代輸出：1, 5

3.3 LinkedHashSet - 保持插入順序

• 結合 HashSet 查詢速度與雙向鏈表維護插入順序。
• 迭代順序即新增順序。

4. Map 介面與實現

4.1 HashMap - 主流鍵值對

• JDK 8 起：陣列 + 鏈表 + 紅黑樹，非同步，允許 null Key/Value。
• 預設容量 16，負載因子 0.75，擴容 2 倍。

Map<String, String> map = new HashMap<>();
map.put("Zara", "8"); map.put("Mahnaz", "31");
for (Map.Entry<String, String> e : map.entrySet())
    System.out.println(e.getKey() + "=" + e.getValue());

4.2 Hashtable - 同步舊版 Map

• 所有方法 synchronized，不允許 null Key/Value。
• 現建議用 ConcurrentHashMap 取代。

4.3 WeakHashMap - 弱引用鍵值對

• Key 為弱引用，GC 時若 Key 無強引用則自動移除條目。
• 適合簡易快取，避免記憶體洩漏。

Map<Integer, byte[]> cache = new WeakHashMap<>();
for (int i = 0; i < 10000; i++)
    cache.put(i, new byte[i]); // 記憶體不足時自動清理

5. 遍歷集合的通用方式

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

// 增強 for 迴圈
for (E e : collection) { ... }

// ListIterator (僅 List) 支援雙向、增刪
ListIterator<E> lit = list.listIterator();

6. 選型速查表

總結

理解各集合底層資料結構、執行緒安全性、效能特徵，才能在實際專案中做出最佳選擇。日常開發以 ArrayList、HashMap、HashSet 為主力，特殊場景再引入 ConcurrentHashMap、TreeSet、WeakHashMap 等進階實現。