本文档主要是翻译的Collections Framework Overview，基于Java8。

概述

集合框架是表示和操作集合的统一体系结构，使它们能够独立于表示的细节进行操作。它在提高性能的同时减少了编程工作。它支持不相关api之间的相互操作，减少了设计和学习新api的工作量，并促进软件重用。该框架基于十几个集合接口。它包括这些接口的实现和操作它们的算法。

集合框架的主要优势在于：

  • 通过提供数据结构和算法来减少编程工作量，这样就不必自己编写了。
  • 通过提供高性能的数据结构和算法实现来提高性能。因为每个接口的各种实现是可互换的，所以可以通过选择不同实现来调整程序。
  • 通过建立一种公共语言用于来回传递集合，从而提供不相关API之间的互操作性。
  • 减少学习API所需的工作量，只需要学习几个特定集合API。
  • 减少了设计和实现API所需的工作量，因为不需要生成特殊集合API。
  • 通过为集合和算法提供一个标准接口来操纵它们，从而促进软件重用。

集合框架主要包括：

  • 集合接口。表示不同类型的集合，例如集合、列表和映射。这些接口构成了框架的基础。
  • 通用实现。集合接口的主要实现。
  • 遗留实现。早期版本的集合类Vector和Hashtable经过了改造，实现了集合接口。
  • 特殊目的实现。为在特殊情况下使用而设计的实现。这些实现表现出非标准的性能特征、使用限制或行为。
  • 并发实现。为高并发使用而设计的实现。
  • 包装器实现。将同步等功能添加到其他实现中。
  • 快捷实现。集合接口的高性能“迷你实现”。
  • 抽象实现。集合接口的部分实现，以便于自定义实现。
  • 算法。对集合执行功能函数的静态方法，例如对列表排序。
  • 基础设施。为集合接口提供基本支持的接口。
  • 数组实用程序。基本类型数组和引用对象的实用函数。严格来说，它不是集合框架的一部分，这个特性是与集合框架同时添加到Java平台的，并且依赖于一些相同的基础设施。

集合接口

集合接口分为两组。最基本的接口java.util.Collection具有以下继承者：

其他集合接口基于java.util.Map，不是真正的集合。但是，这些接口包含集合视图操作，使它们能够作为集合进行操作。Map具有以下继承者：

集合接口中的许多修改方法都被标记为可选。允许实现类不执行这些操作中的一个或多个，如果尝试执行这些操作，将引发运行时异常（UnsupportedOperationException）。每个实现的文档必须指定支持哪些可选操作。本规范中引入了几个术语：

  • 不可修改：不支持修改操作（如add、remove和clear）的集合称为不可修改。非不可修改的集合是可修改的。
  • 不可变：额外保证Collection对象中任何更改都不可见的集合被称为不可变的。非不可变的集合是可变的。
  • 即使元素可以改变，但能保证其大小保持不变的列表称为固定大小列表。非固定大小的列表称为可变大小的列表。
  • 固定大小：即使元素可以改变，但能保证其大小保持不变的列表称为固定大小列表。非固定大小的列表称为可变大小的列表。
  • 随机访问列表：支持快速（通常是恒定时间）索引元素访问的列表称为随机访问列表。不支持快速索引元素访问的列表称为顺序访问列表。列表通过RandomAccess标记接口来标识其支持随机访问。这使得通用算法能够改变它们的行为，从而在应用于随机或顺序访问列表时提供良好的性能。

一些实现限制了可以存储什么元素（在Map中是键和值）。可能的限制包括:

  • 属于某一类型
  • 非空
  • 遵守一些断言

试图添加违反实现类限制的元素会导致运行时异常，通常是ClassCastException、IllegalArgumentException或NullPointerException。试图删除或测试违反实现类限制的元素是否存在可能也会导致异常。一些有限制的集合允许这种用法。

集合实现类

实现集合接口的类通常具有<实现方式><接口名>形式的名称。下表总结了通用实现：

接口 Hash表 可变数组 平衡树 链式集合 Hash表 + 链式集合
Set HashSet TreeSet LinkedHashSet
List ArrayList LinkedList
Deque ArrayDeque LinkedList
Map HashMap TreeMap LinkedHashMap

通用实现支持集合接口中的所有可选操作，并且对它们可能包含的元素没有限制。它们是不同步的，但Collections类包含称为“同步包装器”的静态工厂，可用于向许多不同步的集合添加同步机制。所有新的实现都有快速失败的迭代器，它可以检测到无效的并发修改，并且快速而干净地失败（而不是行为不稳定）。

AbstractCollection、AbstractSet、AbstractList、AbstractSequentialList和AbstractMap类提供了核心集合接口的基本实现，以最小化实现这些接口所需的工作量。这些类的API文档精确地描述了每个方法是如何实现的，以便实现者知道在给定的特定实现的基本操作性能的情况下，哪些方法必须被重写。

并发集合

使用来自多个线程的集合的应用程序必须小心编程。一般来说，这被称为并发编程。Java平台包括对并发编程的广泛支持。有关详细信息，请参见Java并发实用程序。

API中包含了各种并发友好的接口和集合的实现，这些集合的使用非常频繁。这些类型超越了前面讨论的同步包装器，提供了并发编程中经常需要的特性。

有如下并发相关接口可用：

有如下并发相关实现类可用。有关这些实现的正确用法，请参阅API文档。

设计目标

主要的设计目标是创造一个小体积的API，更重要的是“概念重”；它必须扩充现有设施，而不是取代它们。同时，新的API必须足够强大，以提供前面描述的所有优点。

为了使核心接口的数量保持较小，接口不会试图捕捉诸如可变性、可修改性和可调整大小等细微差别。相反，核心接口中的某些调用是可选的，使实现能够抛出UnsupportedOperationException以标识出它们不支持指定的可选操作。集合实现者必须清楚地记录实现支持哪些可选操作。

为了使每个核心接口中的方法数保持较小，接口仅在以下任一情况下包含方法：

  • 这是一个真正的基本操作：一个可以合理定义其他操作的基本操作
  • 之所以一些重要实现要重写该方法是由于性能方面的原因

至关重要的是，集合的所有合理表示都能很好地相互操作。这包括数组，在不更改语言的情况下，无法使其直接实现集合接口。因此，该框架包括使集合能够移动到数组中、将数组视为集合以及将映射视为集合的方法。