計算機程序思維邏輯 (54)：Collections 適配器與裝飾器模式深度解析

計算機程序思維邏輯 (54)：Collections 適配器與裝飾器模式深度解析

Java Collections 工具類的第二類方法：返回容器介面對象，完美演示了適配器與裝飾器兩大經典設計模式。本文結合 JDK 源碼，剖析空容器、單例容器、檢查型、同步型、不可修改型包裝器的實現細節與適用邊界。

一、適配器模式：將「非容器」轉為「標準容器」

1.1 空容器適配器

List<String> list = Collections.emptyList();  // 返回靜態單例 EmptyList
Map<K,V> map = Collections.emptyMap();
Set<E> set = Collections.emptySet();

• 核心價值：避免返回 null，調用者無需判空，統一流程；靜態單例節省內存/創建開銷
• 限制：不可修改，調用 add/remove 拋 UnsupportedOperationException
• 源碼：EmptyList 繼承 AbstractList，size()=0，所有寫操作拋異常

1.2 單例容器適配器

Set<String> set = Collections.singleton("hello");
List<String> list = Collections.singletonList("world");
Map<K,V> map = Collections.singletonMap("k", "v");

• 內部類 SingletonSet 只存儲單一元素引用，size()=1，iterator() 返回單元素迭代器
• 同樣不可修改，適用於臨時構建參數、返回值
• 實戰技巧：list.removeAll(Collections.singleton("b")) 刪除所有指定元素

1.3 其他適配器

• newSetFromMap(Map<E,Boolean>)：Map → Set 視圖
• asLifoQueue(Deque)：Deque → 後進先出 Queue
• nCopies(n, o)：返回包含 n 個相同引用的不可修改 List

二、裝飾器模式：在保持介面不變下增強行為

2.1 不可修改裝飾器 unmodifiableXxx()

• 包裝原容器，讀操作委派，寫操作拋異常
• 典型場景：將內部集合暴露給外部/三方代碼，防止誤修改
• 源碼：UnmodifiableCollection 實現 Collection，構造器檢查 null，迭代器 remove() 拋異常

2.2 類型安全裝飾器 checkedXxx()

• 解決泛型擦除導致的「運行期類型污染」：List<Integer> list = new ArrayList<>(); list.add("str"); // 編譯通過，運行不報錯
• Collections.checkedList(list, Integer.class) 包裝後，add("str") 拋 ClassCastException
• 源碼：CheckedCollection 在 add 時調用 typeCheck() 驗證 type.isInstance(o)

2.3 線程安全裝飾器 synchronizedXxx()

• 對所有方法加 synchronized(this) 鎖，粗粒度同步
• 性能一般，高併發優先用 java.util.concurrent 並發容器 (ConcurrentHashMap, CopyOnWriteArrayList 等)

三、設計模式對比總結

四、實戰選型指南

1. 返回空集合 → Collections.emptyList() (唯讀) / new ArrayList<>() (可寫)
2. 構建單元素參數 → Collections.singleton(x)
3. 防禦性編程：對外暴露集合前 → unmodifiableXxx()
4. 混合舊代碼/無泛型代碼交互 → checkedXxx(list, Type.class)
5. 簡單多線程訪問 → synchronizedXxx()；高併發 → 並發包容器