Java 集合框架核心知识点全解析：从入门到高频面试题（含 JDK 源码剖析）

news2025/5/24 22:18:53

一、Java 集合框架体系架构

Java 集合框架分为两大分支：

Collection接口：存储单个元素，包括：
- List：有序、可重复（如ArrayList、LinkedList）
- Set：无序、唯一（如HashSet、TreeSet）
- Queue：队列（如PriorityQueue、LinkedBlockingQueue）
Map接口：存储键值对（如HashMap、ConcurrentHashMap）

核心设计思想：

接口层定义操作规范（如add()、get()）
实现层提供不同数据结构的具体实现
工具层（Collections、Arrays）提供排序、同步等辅助方法

二、核心接口与实现类深度解析

2.1 List 家族：有序数据的存储方案

2.1.1 ArrayList 源码剖析

底层实现：基于动态数组（Object[] elementData），支持随机访问

扩容机制：

初始容量为10（JDK1.8 后），扩容时按1.5 倍增长

源码核心逻辑：

int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1); // 1.5倍扩容
elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity); // 数组复制

适用场景：适合高频随机访问（如get(index)），不适合频繁中间插入 / 删除

2.1.2 LinkedList 双向链表实现

数据结构：双向链表，每个节点包含prev、next指针
核心优势：
- 头尾操作高效（addFirst()、removeLast()均为 O (1)）
- 无需连续内存，适合频繁增删场景
缺点：随机访问需遍历链表（get(index)为 O (n)）

2.2 Set 家族：唯一性与排序策略

2.2.1 HashSet 存储原理

唯一性实现：
1. 通过hashCode()计算元素哈希值，确定存储桶位置
2. 在桶内通过equals()方法对比元素是否重复
JDK8 优化：
- 当链表长度≥8 且数组长度≥64 时，链表转为红黑树（提升查询效率至 O (log n)）
注意：若自定义类存入HashSet，需重写hashCode()和equals()方法

2.2.2 TreeSet 排序规则

自然排序：元素需实现Comparable接口（如Integer、String）

定制排序：通过Comparator接口指定排序规则

// 降序排列整数
TreeSet<Integer> ts = new TreeSet<>(Comparator.reverseOrder());

2.3 Map 家族：键值对的高效检索

2.3.1 HashMap 线程不安全问题

多线程风险：
- JDK7 中采用头插法扩容，多线程下可能形成循环链表，导致死锁
- JDK8 改为尾插法，但仍不保证线程安全
解决方案：
- 使用ConcurrentHashMap（推荐）
- 通过Collections.synchronizedMap()包装（全表锁，性能较低）

2.3.2 ConcurrentHashMap 的锁优化

JDK7：分段锁（Segment数组，默认 16 个分段，并发度 16）

JDK8：

采用CAS+synchronized锁定单个节点（锁粒度更细）
链表转红黑树优化查询效率

// JDK8 put操作关键代码
synchronized (f) { // 锁定当前桶的头节点
    if (f.hash == hash && f.key == key) {
        // 处理键存在的情况
    }
}

三、高频面试题与最佳实践

3.1 集合选型对比表

需求场景	优先选择	时间复杂度	线程安全
高频随机访问	ArrayList	O (1)（访问）	否
高频首尾增删	LinkedList	O (1)（首尾操作）	否
唯一无序集合	HashSet	O (1)（插入 / 查询）	否
有序键值对排序	TreeMap	O(log n)	否
高并发读写	ConcurrentHashMap	O (1)（平均）	是

3.2 性能优化实战

预分配容量：

// 避免ArrayList多次扩容
List<String> list = new ArrayList<>(100); // 初始容量100
// 避免HashMap频繁rehash
Map<String, Integer> map = new HashMap<>(16); // 初始容量16（需满足初始数据量/负载因子）

遍历优化：
- ArrayList：普通for循环（直接通过下标访问）
- LinkedList：使用ListIterator双向遍历
- Map：优先使用entrySet()而非keySet()（减少键值对拆分开销）

四、JDK 新特性深度解读

4.1 Java8 Stream API 实战

// 案例：过滤长字符串并转大写
List<String> result = list.stream()
    .filter(s -> s.length() > 3) // 过滤长度>3的元素
    .map(String::toUpperCase)    // 转大写
    .collect(Collectors.toList()); // 收集结果

// 案例：按首字母分组统计
Map<Character, List<String>> groupMap = list.stream()
    .collect(Collectors.groupingBy(s -> s.charAt(0)));

4.2 Java9 不可变集合工厂

// 创建不可变List（元素不可修改，不允许null）
List<String> immutableList = List.of("A", "B", "C"); 
// 创建不可变Map（键值均不可修改）
Map<String, Integer> map = Map.of("a", 1, "b", 2);

五、常见陷阱与避坑指南

5.1 并发修改异常（ConcurrentModificationException）

错误场景：

List<String> list = new ArrayList<>();
list.add("1");
for (String s : list) { // 底层使用Iterator，modCount校验机制
    if (s.equals("1")) {
        list.remove(s); // 触发modCount不一致，抛出异常
    }
}

正确做法：使用迭代器的remove()方法

Iterator<String> it = list.iterator();
while (it.hasNext()) {
    String s = it.next();
    if (s.equals("1")) {
        it.remove(); // 安全删除
    }
}

5.2 哈希值与相等性陷阱

// 自定义类未重写hashCode/equals的后果
class User {
    private String id;
    // 未重写hashCode和equals
}

Set<User> set = new HashSet<>();
set.add(new User("1"));
System.out.println(set.contains(new User("1"))); // 输出false（哈希值不同）

解决方案：

@Override
public int hashCode() {
    return Objects.hash(id);
}

@Override
public boolean equals(Object o) {
    if (this == o) return true;
    if (o == null || getClass() != o.getClass()) return false;
    User user = (User) o;
    return Objects.equals(id, user.id);
}