Java 集合框架概览

List/Set/Map 的职责分工、常用实现选型、迭代与并发边界入口。

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[!info] related notes

所属 MOC：类型系统与 OOP · 标准库 · 学习路线

前置概念：泛型 · equals · 数组 · 接口

后续概念：并发集合 · Stream API（可按需后置专题）

容易混淆：数组 vs List、HashMap null 策略

Java 集合框架概览

这个概念为什么出现

真实业务很少只操作单个变量：购物车行、SKU 索引、去重标签、配置字典都需要集合。Java 集合框架用接口 + 实现分离“契约”与“数据结构选择”。

[!abstract] 一句话理解 List 有序可重复，Set 去重，Map 键值索引；先选接口语义，再选 ArrayList/HashSet/HashMap 等实现，并遵守元素 equals/hashCode 契约。

最小可运行示例

场景：购物车维护商品行与优惠标签

import java.util.*;

public class CartCollections {
    public static void main(String[] args) {
        List<String> lines = new ArrayList<>();
        lines.add("SKU-1");
        lines.add("SKU-1"); // List 允许重复
        System.out.println("lines=" + lines.size());

        Set<String> tags = new HashSet<>();
        tags.add("promo");
        tags.add("promo"); // Set 去重
        System.out.println("tags=" + tags.size());

        Map<String, Integer> stock = new HashMap<>();
        stock.put("SKU-1", 3);
        stock.put("SKU-2", 0);
        System.out.println("SKU-1=" + stock.get("SKU-1"));
        System.out.println("missing=" + stock.get("SKU-9")); // null
    }
}

建议运行：

javac CartCollections.java && java CartCollections

期望输出：

lines=2
tags=1
SKU-1=3
missing=null

结合场景再看三个关注点

接口类型声明变量（List/Map），实现可替换。
Map 未命中返回 null；允许 null 值的映射也可返回 null。getOrDefault 只在键不存在时返回默认值，不能替换已映射的 null。
HashSet 去重依赖 equals/hashCode；TreeSet/TreeMap 以自然顺序或比较器的 compare == 0 判断元素/键重复。排序需与 equals 一致才能遵守通常的 Set/Map 契约。

核心概念与准确模型

1. 核心接口

接口	语义
`Collection`	单列集合根
`List`	有序、下标、可重复
`Set`	无重复
`Map`	键值，键唯一；不继承 `Collection`
`Queue`/`Deque`	队列/双端

2. 常用实现选型

需求	常见选择
随机访问列表	`ArrayList`
队列/双端队列的头尾操作	通常先考虑 `ArrayDeque`（不允许 null）
去重无序	`HashSet`
排序去重	`TreeSet`
键值检索	`HashMap`
键排序	`TreeMap`
保持插入序	`LinkedHashMap`

3. 迭代与修改

fail-fast 迭代器在检测到结构修改时可能抛 ConcurrentModificationException，属于尽力检测，不能依赖它保证并发安全。
若迭代器支持，可用其 remove 删除当前元素；也可结束遍历后统一删除。并发集合的迭代契约另见并发集合篇。

4. 不可修改集合与视图

List.of/Map.of 及相应 copyOf 不允许修改集合结构，也拒绝 null；元素对象仍可能可变。copyOf 不随源集合后续的结构变化而改变。
Collections.unmodifiableList 是只读视图，底层列表的修改仍会反映出来。
Arrays.asList 是数组支持的定长列表，允许 set，不支持增删；列表与数组共享元素槽位。

边界情况与反直觉行为

HashMap 允许一个 null 键和 null 值，这是文档约定；Hashtable/ConcurrentHashMap 均不允许 null 键或值。
TreeMap 可使用键的自然顺序或显式比较器；显式比较器下键不必实现 Comparable。自然顺序拒绝 null 键，比较器可自行支持 null。
集合不是线程安全默认——见并发集合篇。

常见误区

[!warning] 常见误区：返回 null List 返回空列表，避免调用方 NPE。

工程实践

方法参数尽量用接口类型。
暴露集合前区分只读视图和不可修改快照；两者都不自动深拷贝可变元素。
大键对象注意 hash 成本。
选型先语义后性能，性能靠测量。

本节总结

List/Set/Map 语义三分
实现按访问模式选
equals/hashCode 与并发边界决定正确性

自测题

何时用 Set 而不是 List？
为什么变量写成 List<String> x = new ArrayList<>()？

参考答案

需要去重/成员测试且不关心重复插入语义时。
依赖接口契约，便于替换实现与测试。

延伸阅读与资料来源

资料	类型	支撑内容
Collections Framework Overview	官方	框架总览
List / Map API	API	接口契约