Java 集合框架核心總結：List、Set、Map 選型指南、Iterator 模式與源碼級性能分析

Java 集合框架核心總結

集合是動態數組，性能高、易擴展。本文梳理 Collection 體系、List/Set/Map 三大介面核心實現、選型決策、Iterator 遍歷模式及源碼級性能特徵。

1. 體系架構速覽

Collection (interface)
├── List (有序、可重複)
│   ├── ArrayList  (動態數組，擴容 1.5x)
│   ├── Vector     (同步，擴容 2x，舊API)
│   └── LinkedList (雙向鏈表，實現 Queue/Deque)
├── Set (無重複)
│   ├── HashSet    (HashMap 底層，無序，O(1))
│   ├── LinkedHashSet (鏈表維護插入序)
│   └── TreeSet    (紅黑樹，有序，O(log n))
└── Queue
    ├── PriorityQueue (堆，O(log n))
    └── ArrayDeque    (環形數組，O(1) 首尾)

Map (interface)
├── HashMap      (數組+鏈表/紅黑樹，JDK8 鏈表轉樹閾值 8)
├── LinkedHashMap (雙向鏈表維護插入/訪問序)
├── TreeMap      (紅黑樹，Key 有序)
├── Hashtable    (同步，舊API，Key/Value 不可 null)
└── ConcurrentHashMap (CAS+Synchronized 分段鎖/JDK8 鏈表轉樹)

2. List 選型指南

口訣：常查、尾插 → ArrayList；首尾頻增刪、當隊列/棧 → LinkedList；極少用 Vector（性能差、API 老舊）。

3. Set 選型指南

4. Map 選型指南

5. Iterator 遍歷模式

// 通用遍歷
Iterator<String> it = list.iterator();
while (it.hasNext()) {
    String s = it.next();
    // it.remove(); // 安全刪除當前元素
}

// for-each (語法糖，底層同 Iterator)
for (String s : list) { ... }

// Map 遍歷三種
for (Map.Entry<K,V> e : map.entrySet()) { ... }  // 推薦
for (K k : map.keySet()) { V v = map.get(k); }   // 兩次查找
map.forEach((k,v) -> { ... });  // Java 8 Lambda

6. 核心源碼性能細節

• ArrayList 擴容：grow() → newCapacity = old + (old >> 1)，Arrays.copyOf 複製數組
• HashMap Put：hash(key) → (n-1)&hash → 索引，衝突鏈表/樹化，resize() 2倍擴容並重新分佈
• HashMap Get：同樣索引定位，鏈表遍歷/樹查找
• ConcurrentHashMap：JDK7 Segment 分段鎖；JDK8 synchronized(Node) + CAS + Node[] 細粒度鎖，size() 用 LongAdder 累加
• LinkedHashMap：accessOrder 為 true 時 get() 會將節點移至尾部，實現 LRU 緩存

7. 避坑清單

1. 集合聲明用接口類型：List<String> list = new ArrayList<>()
2. 構造時指定初始容量：new ArrayList(1000) 減少擴容
3. 遍歷時刪除必須用 Iterator.remove()，不可直接 list.remove() (CME)
4. HashMap Key 必須正確重寫 equals/hashCode
5. 多線程環境：Collections.synchronizedList 或 CopyOnWriteArrayList / ConcurrentHashMap
6. 避免在循環中創建大量集合對象，復用或預分配

精通集合框架的底層數據結構與性能特徵，是寫出高性能 Java 代碼、通過高級面試的核心基本功。