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JDK 集合框架源碼解析（一）：總體架構、核心接口與實現類全景圖

編輯：Java 綜合教學

前言

Java 集合框架是 JDK 中使用頻率最高的 API，java.util.* 包下 100+ 類/接口構成嚴謹的繼承體系。本文基於 JDK 17 源碼，從頂層接口設計、核心實現類結構、數據結構底層原理、選型決策矩陣四個維度，構建完整認知全景圖。

一、頂層接口架構：雙棲體系


                    ┌─────────────────────┐
                    │   java.lang.Iterable │  ← 根接口，for-each 依賴
                    └──────────┬──────────┘
                               │
              ┌────────────────┼────────────────┐
              ▼                ▼                ▼
       ┌─────────────┐  ┌─────────────┐  ┌─────────────┐
       │ Collection  │  │    Map      │  │  Iterator   │
       └──────┬──────┘  └──────┬──────┘  └──────┬──────┘
              │                │                │
    ┌─────────┼─────────┐      │                │
    ▼         ▼         ▼      ▼                ▼
┌───────┐ ┌───────┐ ┌───────┐             ┌───────────┐
│ List  │ │  Set  │ │ Queue │             │ListIterator│
└───┬───┘ └───┬───┘ └───┬───┘             └───────────┘
    │         │         │
    ▼         ▼         ▼
ArrayList  HashSet  PriorityQueue
LinkedList TreeSet  ArrayDeque
Vector     LinkedHashSet
Stack      CopyOnWriteArraySet

核心接口職責

接口	核心契約	關鍵方法	實現類代表
Iterable	可迭代	iterator()、forEach()、spliterator()	所有 Collection
Collection	單一元素容器	add/remove/contains/size/isEmpty/toArray	List/Set/Queue
List	有序、可重複、索引訪問	get/set/add(index)/remove(index)/subList	ArrayList/LinkedList
Set	無序、唯一	繼承 Collection，依賴 equals/hashCode	HashSet/TreeSet/LinkedHashSet
Queue	FIFO/優先級隊列	offer/poll/peek/add/remove/element	ArrayDeque/PriorityQueue
Deque	雙端隊列	addFirst/Last、push/pop、descendingIterator	ArrayDeque/LinkedList
Map	鍵值映射、Key 唯一	put/get/remove/containsKey/keySet/values/entrySet	HashMap/TreeMap/ConcurrentHashMap
Iterator	單向遍歷	hasNext/next/remove/forEachRemaining	所有 Collection
ListIterator	雙向遍歷、可修改	hasPrevious/previous/add/set/nextIndex	List 實現類

二、抽象類骨幹：模板方法模式

JDK 提供四大抽象類，實現接口中通用邏輯，子類只需覆蓋核心方法：

抽象類	實現接口	核心模板方法	留給子類的抽象方法
AbstractCollection	Collection	toString、toArray、contains、removeAll、retainAll	iterator()、size()
AbstractList	List	get/set/add/remove(index)、indexOf、lastIndexOf、listIterator、subList	get(index)、size()、set(index, e)、add(index, e)、remove(index)
AbstractSet	Set	equals、hashCode、removeAll（優化）	繼承 AbstractCollection
AbstractQueue	Queue	add、remove、element（委託 offer/poll/peek）	offer、poll、peek、size

設計精妙：AbstractList.add(E e) 默認調用 add(size(), e)，remove(Object o) 默認迭代器查找再調用 remove(index)，子類只需實現隨機訪問核心邏輯。

三、核心實現類深度解析

3.1 List 族系

類	底層結構	特點	擴容/縮容	線程安全	適用場景
ArrayList	Object[] 數組	隨機訪問 O(1)，尾部增刪 O(1)，中間增刪 O(n)	1.5倍擴容，無自動縮容	否	默認首選，讀多寫少
LinkedList	雙向鏈表	頭尾增刪 O(1)，索引訪問 O(n)，實現 Deque	無容量限制，按需分配節點	否	頻繁頭尾操作、棧/隊列
Vector	Object[] 數組	方法級 synchronized，2倍擴容	2倍擴容	是（粗粒度）	已過時，用 Collections.synchronizedList 或 CopyOnWriteArrayList
Stack	繼承 Vector	LIFO，push/pop/peek	同 Vector	是	已過時，用 ArrayDeque
CopyOnWriteArrayList	數組 + 寫時復制	讀無鎖，寫復制新數組，迭代器弱一致	每次寫全量復制	是（細粒度）	讀多寫極少、遍歷併發安全

3.2 Set 族系

類	底層結構	有序性	線程安全	性能特徵
HashSet	HashMap (value=PRESENT)	無序	否	O(1) 增刪查，依賴 hashCode/equals
LinkedHashSet	LinkedHashMap	插入序	否	雙向鏈表維護順序，迭代有序
TreeSet	TreeMap (紅黑樹)	自然序/Comparator	否	O(log n)，範圍查詢、有序遍歷
CopyOnWriteArraySet	CopyOnWriteArrayList	插入序	是	讀無鎖，寫全量復制
ConcurrentSkipListSet	跳表	自然序	是 (無鎖)	O(log n) 期望，高併發有序集合

3.3 Map 族系

類	底層結構	有序性	Null Key/Value	線程安全	JDK8+ 優化
HashMap	數組 + 鏈表 + 紅黑樹	無序	允許 1 null key，多 null value	否	鏈表≥8 樹化，≥6 退化
LinkedHashMap	HashMap + 雙向鏈表	插入序/訪問序	同 HashMap	否	accessOrder=true 實現 LRU
TreeMap	紅黑樹	Key 自然序/Comparator	不允許 null key	否	NavigableMap 範圍操作
Hashtable	數組 + 鏈表	無序	不允許 null	是 (synchronized)	已過時
ConcurrentHashMap	數組 + 鏈表/紅黑樹 + CAS/synchronized	無序	不允許 null	是 (分段/細粒度)	JDK8 擴容協助、CounterCell
WeakHashMap	HashMap + WeakReference Key	無序	允許 null	否	Key 為弱引用，GC 自動清理
IdentityHashMap	線性探測數組	無序	允許 null	否	用 == 而非 equals 比較 Key

3.4 Queue/Deque 族系

類	底層	特點	有界性	線程安全
ArrayDeque	循環數組	雙端 O(1)，無容量上限，非線程安全	無界	否
PriorityQueue	堆 (數組)	最小堆，O(log n) 入隊出隊，無序迭代	無界	否
LinkedBlockingQueue	單向鏈表	可選界，鎖分離，高吞吐	有界/無界	是
ArrayBlockingQueue	循環數組	有界，單鎖，公平可選	有界	是
ConcurrentLinkedQueue	CAS 鏈表	無界，無鎖，弱一致迭代	無界	是 (無鎖)
SynchronousQueue	直接傳遞	無緩衝，生產者消費者配對	0	是
DelayQueue	PriorityQueue	延遲執行，元素實現 Delayed	無界	是

四、選型決策矩陣：一表定乾坤

需求	首選	備選	避坑
一般列表，隨機訪問	ArrayList	Vector (舊代碼)	頻繁頭部增刪用 LinkedList
頻繁頭尾增刪，棧/隊列	ArrayDeque	LinkedList	LinkedList 內存開銷大、緩存不友好
去重集合，無序	HashSet	LinkedHashSet (需序)	自定義對象必重寫 equals/hashCode
去重 + 保持插入序	LinkedHashSet	LinkedHashMap.keySet()
去重 + 排序/範圍查詢	TreeSet	ConcurrentSkipListSet (併發)	Key 必須 Comparable
鍵值映射，高性能	HashMap	ConcurrentHashMap (併發)	Key 正確重寫 hashCode/equals
鍵值映射 + LRU 緩存	LinkedHashMap (accessOrder=true)	Caffeine/Guava Cache	重寫 removeEldestEntry
鍵值映射 + 排序/範圍	TreeMap	ConcurrentSkipListMap (併發)
高併發隊列，生產消費	LinkedBlockingQueue	ArrayBlockingQueue (有界)	無界隊列警惕 OOM
線程安全列表，讀多寫少	CopyOnWriteArrayList	Collections.synchronizedList	寫頻繁會大量復制數組
線程安全集合，高併發	ConcurrentHashMap.keySet()	ConcurrentSkipListSet

五、源碼閱讀路線圖

ArrayList：grow() 擴容、System.arraycopy 移動、SubList 視圖模式
HashMap：putVal() 核心邏輯、treeifyBin() 樹化、resize() 擴容遷移
ConcurrentHashMap：Node[] 數組、CAS 初始化、synchronized 鎖節點、transfer() 並發擴容
ArrayDeque：head/tail 指針環繞、doubleCapacity() 擴容
LinkedHashMap：LinkedNode 雙向鏈表、afterNodeAccess() 訪問序調整
TreeMap：rotateLeft/Right 紅黑樹旋轉、fixAfterInsertion 修復