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Java集合框架详解：List、Set、Map及其实现类

ai 2025/7/27 16:16:53

一、集合框架概述

Java集合框架提供了一套统一的接口和类，用于存储和操作数据。核心接口包括：

List：有序、可重复的集合。
Set：无序、不可重复的集合。
Map：键值对（Key-Value）映射。

二、List接口

List 是有序集合，允许重复元素，可以通过索引访问元素。

1. ArrayList

底层数据结构：动态数组。
特点：
- 支持快速随机访问（时间复杂度 O(1)）。
- 插入和删除元素时可能需要移动数据（时间复杂度 O(n)）。

示例：

java

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import java.util.ArrayList;public class ArrayListDemo {public static void main(String[] args) {ArrayList<String> list = new ArrayList<>();list.add("Apple");list.add("Banana");list.add(1, "Orange"); // 在索引1处插入System.out.println(list.get(1)); // 输出：Orange（随机访问）list.remove(0); // 删除索引0的元素System.out.println(list); // 输出：[Orange, Banana]}
}

2. LinkedList

底层数据结构：双向链表。
特点：
- 插入和删除元素高效（时间复杂度 O(1)）。
- 随机访问效率低（需遍历链表，时间复杂度 O(n)）。

示例：

java

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import java.util.LinkedList;public class LinkedListDemo {public static void main(String[] args) {LinkedList<String> list = new LinkedList<>();list.add("A");list.addFirst("Start"); // 头部插入list.addLast("End");    // 尾部插入System.out.println(list.getFirst()); // 输出：StartSystem.out.println(list.removeLast()); // 输出：End}
}

3. List对比

特性	ArrayList	LinkedList
底层结构	动态数组	双向链表
随机访问	高效（O(1)）	低效（O(n)）
插入/删除	需移动数据（O(n)）	高效（O(1)）
适用场景	频繁查询、尾部操作	频繁插入/删除

三、Set接口

Set 是无序集合，不允许重复元素。

1. HashSet

底层数据结构：哈希表（基于 HashMap）。
特点：
- 元素无序。
- 允许存储 null 值。
- 插入、删除、查询时间复杂度 O(1)。

示例：

java

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import java.util.HashSet;public class HashSetDemo {public static void main(String[] args) {HashSet<String> set = new HashSet<>();set.add("Apple");set.add("Apple"); // 重复元素，不会被添加set.add("Banana");System.out.println(set.contains("Apple")); // 输出：trueSystem.out.println(set); // 输出：[Apple, Banana]（顺序不确定）}
}

2. TreeSet

底层数据结构：红黑树（基于 TreeMap）。
特点：
- 元素按自然顺序或自定义 Comparator 排序。
- 插入、删除、查询时间复杂度 O(log n)。

示例：

java

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import java.util.TreeSet;public class TreeSetDemo {public static void main(String[] args) {TreeSet<Integer> set = new TreeSet<>();set.add(3);set.add(1);set.add(2);System.out.println(set.first()); // 输出：1（按升序排列）System.out.println(set); // 输出：[1, 2, 3]}
}

3. Set对比

特性	HashSet	TreeSet
底层结构	哈希表	红黑树
元素顺序	无序	自然顺序或自定义排序
性能	O(1)	O(log n)
允许 null	是	否（会抛异常）
适用场景	快速去重、无序需求	需要排序的场景

四、Map接口

Map 存储键值对（Key-Value），键不可重复。

1. HashMap

底层数据结构：哈希表（数组 + 链表/红黑树）。
特点：
- 键值对无序。
- 插入、删除、查询时间复杂度 O(1)。
- 允许一个 null 键和多个 null 值。

示例：

java

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import java.util.HashMap;public class HashMapDemo {public static void main(String[] args) {HashMap<String, Integer> map = new HashMap<>();map.put("Alice", 90);map.put("Bob", 85);map.put("Alice", 95); // 覆盖原有值System.out.println(map.get("Alice")); // 输出：95System.out.println(map.containsKey("Bob")); // 输出：true}
}

2. TreeMap

底层数据结构：红黑树（基于 NavigableMap）。
特点：
- 键按自然顺序或自定义 Comparator 排序。
- 插入、删除、查询时间复杂度 O(log n)。

示例：

java

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import java.util.TreeMap;public class TreeMapDemo {public static void main(String[] args) {TreeMap<String, Integer> map = new TreeMap<>();map.put("Zebra", 1);map.put("Apple", 2);map.put("Cat", 3);System.out.println(map.firstKey()); // 输出：Apple（按升序排列）System.out.println(map); // 输出：{Apple=2, Cat=3, Zebra=1}}
}

3. Map对比

特性	HashMap	TreeMap
底层结构	哈希表	红黑树
键顺序	无序	自然顺序或自定义排序
性能	O(1)	O(log n)
允许 null 键	是	否
适用场景	快速查找、无序需求	需要排序的键值对

五、综合示例

java

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import java.util.*;public class CollectionDemo {public static void main(String[] args) {// List示例List<String> arrayList = new ArrayList<>();arrayList.add("A");arrayList.add("B");System.out.println("ArrayList: " + arrayList); // [A, B]// Set示例Set<Integer> hashSet = new HashSet<>();hashSet.add(3);hashSet.add(1);hashSet.add(2);System.out.println("HashSet: " + hashSet); // [1, 2, 3]（顺序不确定）// Map示例Map<String, String> hashMap = new HashMap<>();hashMap.put("Key1", "Value1");hashMap.put("Key2", "Value2");System.out.println("HashMap: " + hashMap); // {Key1=Value1, Key2=Value2}}
}

六、总结

集合类型	实现类	特点	适用场景
List	ArrayList	快速随机访问，尾部操作高效	频繁查询、按索引操作
	LinkedList	插入/删除高效，支持双向遍历	频繁插入/删除、链表操作
Set	HashSet	无序，快速查找	数据去重、无需顺序
	TreeSet	有序，支持范围查询	需要排序的去重场景
Map	HashMap	键值对无序，快速查找	键值映射、高频查询
	TreeMap	键有序，支持范围操作	需要排序的键值对