Java 集合框架与 Stream 流深入剖析（重点详细讲解）

引言

一、ArrayList

1. 概述

2. 特点

动态扩容

初始容量

扩容倍数

随机访问高效

插入和删除效率低

3. 代码示例

4. 分析

二、HashSet

1. 概述

2. 特点

唯一性

插入、删除和查找效率高

无序性

3. 代码示例

4. 分析

三、HashMap

1. 概述

2. 特点

键唯一性

插入、删除和查找效率高

无序性

3. 代码示例

4. 分析

四、Java Stream 流

1. 概述

2. 特点

声明式编程

惰性求值

并行处理

3. 代码示例

4. 分析

五、总结

引言

在 Java 编程领域里，高效地存储和处理数据是一项关键任务。集合框架就像是一个功能强大的工具箱，为开发者提供了各种数据结构来满足不同的需求。而 Java 8 引入的 Stream 流，则如同给这个工具箱增添了一把锋利的瑞士军刀，让集合操作变得更加高效和便捷。本文将深入且详细地介绍 Java 中常用的集合类 ArrayList、HashSet、HashMap 以及强大的 Stream 流。

一、ArrayList

1. 概述

ArrayList 是 Java 集合框架中 List 接口的一个重要实现类。它本质上是一个动态数组，继承自 AbstractList 类并实现了 List 接口。这意味着 ArrayList 可以存储重复的元素，并且元素是按照插入的顺序进行存储的。打个比方，ArrayList 就像是一个可以自动变长的书架，你可以按照顺序一本一本地往书架上放书，而且同一本书可以放多本。

2. 特点

动态扩容

当我们使用数组时，需要提前确定数组的大小。但在实际开发中，数据的数量往往是不确定的。ArrayList 就很好地解决了这个问题，它具有动态扩容的特性。当 ArrayList 中的元素数量超过其当前容量时，它会自动进行扩容，就像书架的格子不够用了，它会自动增加格子的数量，这样我们就可以继续往里面放书，而无需手动去管理数组的大小，使用起来非常方便。

初始容量

在 Java 中，ArrayList 有多种构造方法。当我们使用无参构造方法创建 ArrayList 对象时，其初始容量并不是立即分配为某个固定值。实际上，在 Java 7 及以后的版本中，使用无参构造方法创建 ArrayList 时，初始容量为 0。当第一次向 ArrayList 中添加元素时，它会将容量初始化为 10。例如：

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;public class ArrayListInitialCapacityExample {public static void main(String[] args) {List<String> list = new ArrayList<>();// 此时 list 的容量为 0System.out.println("添加元素前的容量猜测：" + getCapacity(list)); list.add("element");// 第一次添加元素后，容量变为 10System.out.println("添加元素后的容量猜测：" + getCapacity(list)); }// 此方法通过反射获取 ArrayList 的容量private static int getCapacity(List<?> list) {try {java.lang.reflect.Field field = ArrayList.class.getDeclaredField("elementData");field.setAccessible(true);return ((Object[]) field.get(list)).length;} catch (Exception e) {return -1;}}
}

上述代码通过反射机制尝试获取 ArrayList 的实际容量。可以看到，在使用无参构造方法创建 ArrayList 后，在添加元素之前容量为 0，添加第一个元素后，容量变为 10。

如果我们使用带有初始容量参数的构造方法来创建 ArrayList，则可以指定其初始容量。例如：

List<String> list = new ArrayList<>(20);

这里创建的 ArrayList 初始容量就是 20。

扩容倍数

当 ArrayList 中的元素数量达到其当前容量时，就需要进行扩容操作。ArrayList 的扩容机制是将原容量扩大为原来的 1.5 倍。具体来说，在 ArrayList 的源码中，扩容操作主要通过 grow 方法实现，其核心代码如下：

private void grow(int minCapacity) {// 获取旧容量int oldCapacity = elementData.length;// 计算新容量，新容量为旧容量的 1.5 倍int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);if (newCapacity - minCapacity < 0)newCapacity = minCapacity;if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);// 调用 Arrays.copyOf 方法将原数组元素复制到新数组elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
}

在上述代码中，oldCapacity >> 1 表示将旧容量右移一位，相当于将旧容量除以 2。所以 newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1) 实际上就是将原容量扩大为原来的 1.5 倍。例如，如果原容量为 10，当需要扩容时，新容量将变为 10 + 10 / 2 = 15。

随机访问高效

由于 ArrayList 是基于数组实现的，它在内存中是连续存储元素的。这就好比书架上的书是一本挨着一本整齐排列的，我们可以根据书的位置（索引）快速地找到某一本书。在 ArrayList 中，通过索引访问元素的时间复杂度为 O(1)，也就是说无论 ArrayList 中有多少个元素，我们都能在几乎相同的时间内找到指定索引位置的元素。