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Java集合框架：数据结构的艺术

让天下没有难学的编程 2025-06-18
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课程设计思路：

  1. 承上启下：结合已学的面向对象、泛型、接口等知识

  2. 实用性强：集合是Java开发中使用频率最高的API之一

  3. 可视化教学：通过图表展示数据结构关系

  4. 实战驱动：结合真实场景案例

课程大纲设计

一、集合框架全景图（15分钟）

讲解重点：

  • Collection与Map两大体系区别

  • 常用接口关系：Iterable, Collection, Map

  • 集合框架设计哲学：接口与实现分离

二、核心集合类型深度解析（60分钟）

1. List家族对决

特性
ArrayList
LinkedList
底层结构
动态数组
双向链表
随机访问
O(1)
O(n)
插入删除
尾部O(1)，中间O(n)
头尾O(1)，中间O(n)
内存占用
较小（连续内存）
较大（节点开销）

代码实战：

    // 创建与遍历
    List<String> arrayList = new ArrayList<>();
    List<String> linkedList = new LinkedList<>();
    // 性能对比实验
    long start = System.nanoTime();
    for (int i = 0; i < 100000; i++) {
        arrayList.add(0, "element"); // 头部插入
    }
    System.out.println("ArrayList耗时: " + (System.nanoTime()-start));
    // 同样测试LinkedList...

    2. Map双雄解析

    HashMap原理：

    • 数组+链表/红黑树结构

    • 哈希冲突解决方案

    • 扩容机制与负载因子

    TreeMap特性：

    • 基于红黑树实现

    • 自然排序与Comparator

    • 范围查询优势

    代码实战：

      Map<String, Integer> hashMap = new HashMap<>();
      Map<String, Integer> treeMap = new TreeMap<>();
      // 哈希碰撞演示
      hashMap.put("Aa", 1);  // 哈希值2112
      hashMap.put("BB", 2);  // 哈希值2112
      // 排序特性展示
      treeMap.put("Orange", 5);
      treeMap.put("Apple", 3);
      System.out.println(treeMap); // 自动按字母排序

      3. Set的本质与选择

      核心认知：

      • HashSet = HashMap的Key视图

      • TreeSet = TreeMap的Key视图

      • LinkedHashSet：保持插入顺序

      代码实战：

        Set<Integer> hashSet = new HashSet<>();
        Set<Integer> linkedHashSet = new LinkedHashSet<>();
        // 顺序性对比
        for (int i = 10; i > 0; i--) {
            hashSet.add(i);
            linkedHashSet.add(i);
        }
        System.out.println("HashSet: " + hashSet);      // 无序
        System.out.println("LinkedHashSet: " + linkedHashSet); // 保持插入顺序

        三、并发集合：线程安全的保障（25分钟）

        集合类型
        线程安全原理
        适用场景
        Vector
        方法级synchronized
        遗留系统兼容
        Collections.synchronizedXXX
        包装器模式
        简单场景
        CopyOnWriteArrayList
        写时复制
        读多写少
        ConcurrentHashMap
        分段锁+CAS
        高并发读写

        代码实战：

          // ConcurrentHashMap原子操作
          ConcurrentMap<String, AtomicInteger> counterMap = new ConcurrentHashMap<>();
          // 线程安全的计数
          IntStream.range(0, 1000).parallel().forEach(i -> {
              counterMap.computeIfAbsent("key", k -> new AtomicInteger()).incrementAndGet();
          });

          四、集合工具类：Collections与Arrays（20分钟）

          常用神器：

          • 排序与洗牌：Collections.sort()
            , shuffle()

          • 不可变集合：unmodifiableList()

          • 数组转换：Arrays.asList()

          • 二分查找：Collections.binarySearch()

          代码实战：

            // 创建只读视图
            List<String> readOnlyList = Collections.unmodifiableList(new ArrayList<>());
            // 尝试修改将抛出异常
            readOnlyList.add("new element"); // UnsupportedOperationException

            课程亮点设计

            1. 可视化数据结构：

              • 动态演示HashMap扩容过程

              • 红黑树平衡动画展示

            2. 性能对比实验：

              • 不同集合的插入/查询效率实测

              • 百万级数据处理对比

            3. 内存布局解析：

              • 展示JOL(Java Object Layout)分析结果

              • 不同集合的内存占用对比

            4. 反模式教学：

              // 错误示例：循环中删除元素
              for (String item : list) {
                  if (condition) {
                      list.remove(item); // 抛出ConcurrentModificationException
                  }
              }
              // 正确做法：使用Iterator
              Iterator<String> it = list.iterator();
              while (it.hasNext()) {
                  if (condition) {
                      it.remove();
                  }
              }

              课后挑战（三个层次）

              基础任务：学生管理系统

                class Student {
                    private String name;
                    private int id;
                    // 其他字段...
                }
                // 要求：
                // 1. 使用Map<学号, Student>存储学生信息
                // 2. 实现按姓名、成绩等多条件排序
                // 3. 统计各分数段学生数量

                进阶任务：投票统计系统

                  // 输入：投票流（不断产生候选人姓名）
                  // 输出：实时TOP 3候选人
                  // 要求：
                  // 1. 使用ConcurrentHashMap保证线程安全
                  // 2. 使用PriorityQueue实现实时排序

                  高手任务：LRU缓存实现

                    // 基于LinkedHashMap实现LRU缓存
                    class LRUCache<K, V> extends LinkedHashMap<K, V> {
                        private final int capacity;


                        public LRUCache(int capacity) {
                            super(capacity, 0.75f, true);
                            this.capacity = capacity;
                        }


                        @Override
                        protected boolean removeEldestEntry(Map.Entry<K, V> eldest) {
                            return size() > capacity;
                        }
                    }

                    衔接后续课程

                    下节课预告：《Java I/O与NIO：数据流动的艺术》

                    内容前瞻：

                    1. 字节流 vs 字符流

                    2. 文件操作最佳实践

                    3. NIO三大核心：Buffer/Channel/Selector

                    4. 内存映射文件原理

                    5. 异步I/O实战

                    "集合框架是Java开发者的武器库，选择正确的数据结构能让代码效率提升十倍！掌握集合，你就掌握了处理数据的艺术。"


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                    数据结构线程安全java
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