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Java集合(含List、Map、Set和Queue)超详细讲解

2025-10-27 15:16:30 作者：一成在成长

Java 集合框架是Java编程中最基础、最常用的部分之一,它为我们提供了一整套标准化的数据结构和算法实现,包括 List、Set、Queue、Map 等,用于高效地存储、访问和操作对象集合,本文介绍Java集合(含List、Map、Set和Queue)的相关知识,感兴趣的朋友一起看看吧

Java 集合框架全解析

Java 集合框架是 Java 编程中最基础、最常用的部分之一。它为我们提供了一整套标准化的数据结构和算法实现，包括 List、Set、Queue、Map 等，用于高效地存储、访问和操作对象集合。

集合框架的整体结构

Java 集合大体分为两条主线：

Collection（单值集合）
│
├── List（有序，可重复）
│     ├── ArrayList
│     ├── LinkedList
│     └── Vector / Stack
│
├── Set（无序，不可重复）
│     ├── HashSet
│     ├── LinkedHashSet
│     └── TreeSet
│
└── Queue（队列）
      ├── ArrayDeque
      ├── LinkedList
      └── PriorityQueue
Map（键值对集合）
├── HashMap
├── LinkedHashMap
└── TreeMap

List：有序可重复的集合

ArrayList ( 动态数组)

ArrayList<String> list = new ArrayList<>();
list.add("1");
list.add("2");
list.add("3");

底层是 动态数组；
支持随机访问（时间复杂度 O(1)）；
中间插入、删除代价高（涉及数组移动）；
自动扩容（通常 1.5 倍）。

import java.util.ArrayList;
import java.util.Collections;
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        int n = 10;
        // 初始化 ArrayList，大小为 10，元素值都为 0
        ArrayList<Integer> nums = new ArrayList<>(Collections.nCopies(n, 0));
        // 输出：false
        System.out.println(nums.isEmpty());
        // 输出：10
        System.out.println(nums.size());
        // 在数组尾部插入一个元素 20
        nums.add(20);
        // 输出：11
        System.out.println(nums.size());
        // 得到数组最后一个元素
        // 输出：20
        System.out.println(nums.get(nums.size() - 1));
        // 删除数组的最后一个元素
        nums.remove(nums.size() - 1);
        // 输出：10
        System.out.println(nums.size());
        // 可以通过索引直接取值或修改
        nums.set(0, 11);
        // 输出：11
        System.out.println(nums.get(0));
        // 在索引 3 处插入一个元素 99
        nums.add(3, 99);
        // 删除索引 2 处的元素
        nums.remove(2);
        // 交换 nums[0] 和 nums[1]
        Collections.swap(nums, 0, 1);
        // 遍历数组
        // 输出：0 11 99 0 0 0 0 0 0 0
        for(int num : nums) {
            System.out.print(num + " ");
        }
        System.out.println();
    }
}

适用于 查找频繁、插入较少 的场景。

LinkedList ( 双向链表)

LinkedList<String> list = new LinkedList<>();
list.add("1");
list.add("2");
list.add("3");

特征：

底层是 双向链表；
不支持随机访问（时间复杂度 O(n)）；
任意位置插入、删除高效；
每个节点多存前后指针，内存开销更大。

适用于 插入、删除频繁 的场景。

import java.util.Arrays;
import java.util.LinkedList;
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        // 初始化链表
        LinkedList<Integer> lst = new LinkedList<>(Arrays.asList(1, 2, 3, 4, 5));
        // 检查链表是否为空，输出：false
        System.out.println(lst.isEmpty());
        // 获取链表的大小，输出：5
        System.out.println(lst.size());
        // 在链表头部插入元素 0
        lst.addFirst(0);
        // 在链表尾部插入元素 6
        lst.addLast(6);
        // 获取链表头部和尾部元素，输出：0 6
        System.out.println(lst.getFirst() + " " + lst.getLast());
        // 删除链表头部元素
        lst.removeFirst();
        // 删除链表尾部元素
        lst.removeLast();
        // 在链表中插入元素
        // 移动到第三个位置
        lst.add(2, 99);
        // 删除链表中某个元素
        lst.remove(1);
        // 遍历链表
        // 输出：1 99 3 4 5
        for(int val : lst) {
            System.out.print(val + " ");
        }
        System.out.println();
    }
}

Vector & Stack（历史遗留）

Vector 是线程安全的 ArrayList；
每个方法都加了 synchronized，性能较低；
已被 ArrayList 替代；
Stack 继承自 Vector，实现 LIFO（后进先出） 栈结构；
推荐使用 ArrayDeque 替代。

Set：无序且元素唯一

HashSet ( 基于 HashMap)

HashSet<String> set = new HashSet<>();
set.add("一");
set.add("二");
set.add("三");

底层由 HashMap 实现；
元素作为 key，value 为固定对象；
自动去重；
不保证顺序。

适用于 去重、快速查找。

import java.util.Arrays;
import java.util.HashSet;
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        // 初始化哈希集合
        HashSet<Integer> hashset = new HashSet<>(Arrays.asList(1, 2, 3, 4));
        // 检查哈希集合是否为空，输出：false
        System.out.println(hashset.isEmpty());
        // 获取哈希集合的大小，输出：4
        System.out.println(hashset.size());
        // 查找指定元素是否存在
        // 输出：Element 3 found.
        if(hashset.contains(3)) {
            System.out.println("Element 3 found.");
        } else {
            System.out.println("Element 3 not found.");
        }
        // 插入一个新的元素
        hashset.add(5);
        // 删除一个元素
        hashset.remove(2);
        // 输出：Element 2 not found.
        if(hashset.contains(2)) {
            System.out.println("Element 2 found.");
        } else {
            System.out.println("Element 2 not found.");
        }
        // 遍历哈希集合
        // 输出（顺序可能不同）：
        // 1
        // 3
        // 4
        // 5
        for(int element : hashset) {
            System.out.println(element);
        }
    }
}

LinkedHashSet (有序 HashSet)

LinkedHashSet<String> set = new LinkedHashSet<>();
set.add("一");
set.add("二");
set.add("三");

继承 HashSet；
底层由 LinkedHashMap 实现；
保持插入顺序；
查找性能与 HashSet 相近。

适用于 既想去重又保留插入顺序 的场景。

TreeSet ( 有序去重集合)

TreeSet<String> set = new TreeSet<>();
set.add("一");
set.add("二");
set.add("三");

基于 红黑树 实现；
元素自动排序；
不允许 null；
可自定义排序规则（Comparator）。

适用于 需要自动排序 的场景。

Queue：队列

ArrayDeque ( 高效双端队列)

ArrayDeque<String> deque = new ArrayDeque<>();
deque.add("一");
deque.add("二");
deque.add("三");

基于循环数组；
可在两端插入/删除；
性能优于 LinkedList；
替代 Stack 和 Queue。

LinkedList (可作队列使用)

LinkedList<String> queue = new LinkedList<>();
queue.offer("一成");
queue.poll();

同时实现了 List 和 Deque；
适合频繁插入删除；
支持队首、队尾操作；
内存占用高于 ArrayDeque。

PriorityQueue — 优先级队列

PriorityQueue<Student> queue = new PriorityQueue<>(new StudentComparator());

底层是 堆结构；
出队顺序由优先级决定；
元素需实现 Comparable 或传入 Comparator。

适用于 任务调度、最小/最大堆 场景。

import java.util.Queue;
import java.util.LinkedList;
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        // 初始化一个空的整型队列 q
        Queue<Integer> q = new LinkedList<>();
        // 在队尾添加元素
        q.offer(10);
        q.offer(20);
        q.offer(30);
        // 检查队列是否为空，输出：false
        System.out.println(q.isEmpty());
        // 获取队列的大小，输出：3
        System.out.println(q.size());
        // 获取队列的队头元素
        // 输出：10
        System.out.println(q.peek());
        // 删除队头元素
        q.poll();
        // 输出新的队头元素：20
        System.out.println(q.peek());
    }
}

Map：键值对集合

HashMap (哈希表实现)

HashMap<String, String> map = new HashMap<>();
map.put("一成", "yicheng");
map.put("在成长", "zaichengzhang");

键唯一，值可重复；
查找/插入效率高；
默认容量 16，负载因子 0.75；
可存 null 键与 null 值；
无序。

import java.util.HashMap;
import java.util.Map;
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        // 初始化哈希表
        HashMap<Integer, String> hashmap = new HashMap<>();
        hashmap.put(1, "one");
        hashmap.put(2, "two");
        hashmap.put(3, "three");
        // 检查哈希表是否为空，输出：false
        System.out.println(hashmap.isEmpty());
        // 获取哈希表的大小，输出：3
        System.out.println(hashmap.size());
        // 查找指定键值是否存在
        // 输出：Key 2 -> two
        if(hashmap.containsKey(2)) {
            System.out.println("Key 2 -> " + hashmap.get(2));
        } else {
            System.out.println("Key 2 not found.");
        }
        // 获取指定键对应的值，若不存在会返回 null
        // 输出：null
        System.out.println(hashmap.get(4));
        // 获取指定键对应的值，若不存在则返回默认值
        // 输出：defaultVal
        System.out.println(hashmap.getOrDefault(4, "defaultVal"));
        // 插入一个新的键值对
        hashmap.put(4, "four");
        // 获取新插入的值，输出：four
        System.out.println(hashmap.get(4));
        // 删除键值对
        hashmap.remove(3);
        // 检查删除后键 3 是否存在
        // 输出：Key 3 not found.
        if(hashmap.containsKey(3)) {
            System.out.println("Key 3 -> " + hashmap.get(3));
        } else {
            System.out.println("Key 3 not found.");
        }
        // 遍历哈希表
        // 输出（顺序可能不同）：
        // 1 -> one
        // 2 -> two
        // 4 -> four
        for(Map.Entry<Integer, String> pair : hashmap.entrySet()) {
            System.out.println(pair.getKey() + " -> " + pair.getValue());
        }
    }
}

LinkedHashMap (有序 HashMap)

LinkedHashMap<String, String> linkedMap = new LinkedHashMap<>();
linkedMap.put("一成", "yicheng");
linkedMap.put("在成长", "zaichengzhang");

保留插入顺序；
可设置访问顺序；
常用于实现 LRU 缓存。

TreeMap ( 红黑树实现)

TreeMap<String, String> treeMap = new TreeMap<>();
treeMap.put("a", "apple");
treeMap.put("b", "banana");
treeMap.put("c", "cat");

键有序；
基于红黑树；
查找、插入、删除为 O(log n)。

适用于 需要有序 Map 的场景。

需求	推荐集合	说明
有序且可重复	ArrayList	动态数组，随机访问快
插入删除多	LinkedList	链表结构，插入删除快
去重但无序	HashSet	由 HashMap 实现
去重且有序	LinkedHashSet	保留插入顺序
自动排序	TreeSet / TreeMap	基于红黑树
双端队列	ArrayDeque	替代 Stack/Queue
按优先级取出	PriorityQueue	堆结构
键值映射	HashMap	最常用的 Map
有序 Map	LinkedHashMap / TreeMap	插入或自然顺序

Java 集合框架
│
├── Collection
│   ├── List → ArrayList / LinkedList / Vector / Stack
│   ├── Set → HashSet / LinkedHashSet / TreeSet
│   └── Queue → ArrayDeque / LinkedList / PriorityQueue
│
└── Map
    ├── HashMap
    ├── LinkedHashMap
    └── TreeMap

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