Java 集合框架全景解析：核心架構與設計哲學

Java 集合框架概覽

Java 提供了一個極為豐富的集合框架，涵蓋大量介面、抽象類別與具體實作類別。這些介面與類別協同工作，能滿足絕大多數資料聚合需求。下圖展示了整個框架的宏觀結構：

圖中左側為介面層，右側為實作類別，中間連線表示實作關係。例如 AbstractList 實作了 List 介面，其子類別自動繼承該介面。若類別實作某介面，則同時實作該介面所有父介面（如 TreeSet 實作 Deque，即同時實作 Queue、Collection、Iterable）。紅色標記為抽象類別（多以 Abstract 開頭），綠色為早期版本遺留類別（如 Vector、Hashtable）。

介面與實作分離：以 Queue 為例

Java 集合類別庫嚴格區分介面與實作。以佇列（Queue）為例，介面定義核心行為：尾部新增、頭部移除、查詢大小，語意為先進先出（FIFO）。介面設計可能如下：

interface Queue<E> {
    void add(E element);
    E remove();
    int size();
}

介面不規定內部實作細節。常見實作有循環陣列與鏈結串列兩種：

class CircularArrayQueue<E> implements Queue<E> {
    CircularArrayQueue(int capacity) { ... }
    public void add(E element) { ... }
    public E remove() { ... }
    private E[] elements;
    private int head, tail;
}

class LinkedListQueue<E> implements Queue<E> {
    LinkedListQueue() { ... }
    public void add(E element) { ... }
    public E remove() { ... }
    public int size() { ... }
    private Link head, tail;
}

實際開發中直接使用 LinkedList（實作 Queue）。建構集合物件時才指定具體類別，其餘程式碼皆面向介面：

Queue<Employee> q = new CircularArrayQueue<>(100);
q.add(new Employee("Harry"));

若需切換實作，僅需修改建構子呼叫處：

Queue<Employee> q = new LinkedListQueue<>();
q.add(new Employee("Harry"));

這體現了「面向介面程式設計」精髓：實作細節封裝於具體類別，使用者依據效能特性（如隨機存取、插入刪除效率）自行權衡選擇。框架中大量 Abstract* 抽象類別為實作者提供基礎方法實作，若要自訂佇列，繼承 AbstractQueue 比直接實作 Queue 更便捷。

核心介面與迭代器機制

Collection 是集合體系根介面，定義基礎操作：

boolean add(E element);
Iterator<E> iterator();

add 成功改變集合回傳 true，iterator 回傳實作 Iterator 的物件，用於順序存取元素。Iterator 三大核心方法：

public interface Iterator<E> {
    E next();
    boolean hasNext();
    void remove();
}

遍歷模式：

Collection<String> c = ...;
Iterator<String> it = c.iterator();
while (it.hasNext()) {
    String element = it.next();
    // 處理 element
}

Java SE 5.0 引入增強型 for 迴圈，編譯器自動轉換為迭代器模式：

for (String element : c) {
    // 處理 element
}

此語法適用於所有實作 Iterable 的物件（Collection 繼承 Iterable）。

迭代器的位置模型與 remove 行為

Java 迭代器概念上位於元素之間（如游標），next() 跨越下一元素並回傳該元素引用，位置隨之右移。remove() 刪除上次 next() 回傳的元素，故必須緊跟 next() 呼叫，否則拋出 IllegalStateException。連續刪除需交替呼叫 next()：

it.next(); it.remove(); // 正確刪除第一個元素
it.next(); it.remove(); // 正確刪除下一個元素

集合類型決定遍歷順序：ArrayList 依索引遞增，HashSet 則為無序（雖能保證遍歷所有元素）。

Collection 介面完整契約

Collection 介面方法眾多，涵蓋增刪查、批次操作、轉陣列、串流支援等：

public interface java.util.Collection<E> extends java.lang.Iterable<E> {
    int size(); boolean isEmpty(); boolean contains(Object o);
    Iterator<E> iterator(); Object[] toArray(); <T> T[] toArray(T[] a);
    boolean add(E e); boolean remove(Object o); boolean containsAll(Collection<?> c);
    boolean addAll(Collection<? extends E> c); boolean removeAll(Collection<?> c);
    boolean retainAll(Collection<?> c); void clear(); boolean equals(Object o);
    int hashCode(); Spliterator<E> spliterator(); Stream<E> stream(); Stream<E> parallelStream();
    boolean removeIf(Predicate<? super E> filter);
}

為減輕實作者負擔，AbstractCollection 提供預設實作（如 isEmpty、contains），具體類別可繼承並選覆寫。

集合框架介面全景

Collection 與 Map 為兩大核心介面，所有集合類別實作其中之一。Iterator、ListIterator（提供雙向遍歷與修改）為迭代器介面。RandomAccess 為標記介面，用於檢測是否支援高效隨機存取（如 ArrayList 實作）。

常用具體實作類別一覽

紅色為抽象類別，分為 Collection 體系與 Map 體系。14 個核心實作類別特性摘要：

關於有序性、元素可重複性總結（Map 考察鍵）：

後續系列主題

• Java集合(二)：List 列表
• Java集合(三)：Set 集合
• Java集合(四)：Queue 佇列
• Java集合(五)：專用 Set 與專用 Map
• Java集合(六)：Java 集合框架深度解析
• Java集合(七)：集合演算法與遺留類別