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Java 集合框架全景圖譜：List/Set/Map 體系、Fail-Fast 機制與 CopyOnWrite 解決方案

編輯：Java 綜合教學

集合框架核心結構

Java Collections Framework 以 Collection 和 Map 為雙根，提供統一操作接口：

Collection (I)
├── List (I)          有序、可重複
│   ├── ArrayList     動態數組、隨機訪問快
│   ├── LinkedList    雙向鏈表、增刪快、實現 Deque
│   ├── Vector        同步、已過時
│   └── Stack         LIFO、繼承 Vector
└── Set (I)           唯一性
    ├── HashSet       HashMap 底層、無序
    ├── LinkedHashSet 保持插入順序
    └── TreeSet       紅黑樹、有序、O(log n)

Map (I)
├── HashMap           數組+鏈表/紅黑樹、非同步
├── LinkedHashMap     保持插入/訪問順序
├── TreeMap           紅黑樹、有序鍵
├── Hashtable         同步、已過時
├── WeakHashMap       弱鍵、GC 自動清理
└── ConcurrentHashMap 分段鎖/CAS、高併發

List 選型決策樹

場景	推薦	理由
頻繁隨機訪問、少量增刪	ArrayList	底層數組、O(1) 訪問
頻繁頭尾增刪、作為隊列/棧	LinkedList	鏈表結構、O(1) 首尾操作
單線程/線程封閉	ArrayList	無同步開銷、性能最優
多線程共享、低併發	Vector / Collections.synchronizedList	方法級同步
多線程共享、高併發讀多寫少	CopyOnWriteArrayList	寫時復制、讀無鎖

Fail-Fast 機制深度解析

觸發條件

迭代過程中，集合結構被修改（add/remove/clear 導致 modCount 變化），Iterator.next() 檢測到 expectedModCount != modCount 拋出 ConcurrentModificationException。

源碼級還原

// AbstractList.iterator()
public Iterator iterator() {
    return new Itr(); // 內部類，捕獲 expectedModCount = modCount
}

private class Itr implements Iterator {
    int cursor, lastRet = -1;
    int expectedModCount = modCount; // 快照
    
    public E next() {
        checkForComodification(); // 核心檢查
        // ...
    }
    
    final void checkForComodification() {
        if (modCount != expectedModCount)
            throw new ConcurrentModificationException();
    }
}

多線程下的必現場景

List list = new ArrayList<>();
// 線程 A 遍歷
new Thread(() -> {
    for (Integer i : list) { /* 讀 */ }
}).start();
// 線程 B 修改
new Thread(() -> {
    list.add(999); // modCount++，線程 A 下次 next() 必拋異常
}).start();

CopyOnWriteArrayList：讀寫分離終極方案

核心原理

讀操作：直接訪問當前數組，無鎖、無檢查、極快
寫操作：ReentrantLock 加鎖 → 復制新數組 → 修改 → volatile 切換引用
迭代器：構建時快照當前數組，遍歷快照，不檢查 modCount

// COWIterator 簡化版
static final class COWIterator implements ListIterator {
    private final Object[] snapshot; // 構建時快照
    private int cursor;
    
    COWIterator(Object[] elements) {
        this.snapshot = elements; // 無 expectedModCount！
    }
    public boolean hasNext() { return cursor < snapshot.length; }
    public E next() { return (E) snapshot[cursor++]; }
    // 無 checkForComodification()！
}

適用與不適用場景

適用	不適用
讀多寫少（緩存、監聽器列表、配置）	寫多場景（頻繁復制數組、GC 壓力大）
遍歷時允許見到舊數據（最終一致）	需實時強一致性遍歷
集合較小（<1000 元素）	大集合寫入（復制開銷 O(n)）

Map 體系精華

HashMap：JDK 8 引入紅黑樹退化鏈表、擴容優化、putVal 核心邏輯
ConcurrentHashMap：JDK 7 分段鎖 → JDK 8 CAS+synchronized 節點、size() LongAdder
TreeMap：紅黑樹、NavigableMap 接口（floor/ceiling/higher/lower）
WeakHashMap：Key 為弱引用、Entry 繼承 WeakReference、GC 時自動清理

Iterator vs Enumeration

特性	Iterator	Enumeration
方法	hasNext/next/remove	hasMoreElements/nextElement
刪除支持	支持	不支持
Fail-Fast	支持	不支持
性能	略慢（檢查開銷）	略快
適用	現代代碼、需安全刪除	舊 API（Vector/Hashtable/Properties）