标准集合：按契约选择 List、Set、Map

用户列表需要频繁按下标读取，却用 LinkedList；按邮箱查用户时把整个 List 遍历一遍；把含可变字段的对象放进 HashSet 后，元素突然“找不到”。这些不是 API 记忆问题，而是没有先明确访问方式、相等性契约和并发边界。

本页面向已经理解类、接口和 equals/hashCode 的读者，目标是根据数据关系和操作模式选择 List、Set、Map，并知道何时需要并发集合。

1. 先按数据关系选容器

数据关系	首选接口	常用实现
允许重复、主要按位置访问	List	ArrayList
元素不能重复	Set	HashSet、TreeSet、LinkedHashSet
每个键对应一个值	Map	HashMap、TreeMap、LinkedHashMap
普通队列，按队列规则处理元素	Queue	ArrayDeque、LinkedList
需要从两端插入或删除	Deque	ArrayDeque、LinkedList
生产者和消费者之间需要阻塞式交接	BlockingQueue	ArrayBlockingQueue、LinkedBlockingQueue
高并发共享修改	并发容器	ConcurrentHashMap、并发队列、CopyOnWriteArrayList

先选择接口表达的契约，再选择实现表达的复杂度、顺序和并发能力。不要因为某个类“看起来快”就让它承担不匹配的语义。

1.1 枚举专用容器

当 Set 的元素或 Map 的 key 都是枚举类型时，优先考虑 EnumSet 和 EnumMap：

import java.util.EnumMap;
import java.util.EnumSet;
import java.util.Set;

enum Status {
    ACTIVE, PAUSED, CLOSED
}

class EnumCollectionExample {
    public static void main(String[] args) {
        Set<Status> enabledStatuses = EnumSet.of(Status.ACTIVE, Status.PAUSED);
        EnumMap<Status, String> statusLabels = new EnumMap<>(Status.class);
        statusLabels.put(Status.ACTIVE, "启用");
    }
}

EnumSet 使用位向量表示成员，通常比通用 HashSet 更紧凑；EnumMap 使用枚举序号定位数组槽，通常比通用 HashMap 更直接。两者都要求 key 不为 null，并且本身不提供线程安全保证。只有集合会跨线程修改时，才需要额外同步或并发容器。

2. List：顺序与位置访问

2.1 ArrayList 与 LinkedList 的实际差异

操作	ArrayList	LinkedList
按下标读取	平均 O(1)	O(n)
末尾追加	均摊 O(1)	O(1)
中间插入/删除	移动元素，O(n)	找到节点 O(n)，修改链接 O(1)
额外内存	连续引用数组的预留空间	每个元素保存前后引用
随机访问	适合	不适合

LinkedList 的插入优势只在已经持有正确位置的迭代器或节点时成立。先遍历找到中间位置，再调用 add(index, value)，总成本仍然是 O(n)。多数业务列表选择 ArrayList；只有实测且访问模式确实匹配时才改用链表。

List<Order> orders = new ArrayList<>();
orders.add(firstOrder);
orders.add(secondOrder);

Order second = orders.get(1);
boolean removed = orders.remove(firstOrder);

remove(Object) 按 equals 查找，remove(int) 按下标删除。两者参数含义不同，代码中应避免让易混淆的索引变量与对象重载同时出现。

2.2 顺序不是默认保证

ArrayList 保持列表中的位置，List.of(...) 也按传入顺序排列。Set 和 Map 要看具体实现：HashSet、HashMap 不承诺迭代顺序，LinkedHashSet、LinkedHashMap 保留插入顺序，TreeSet、TreeMap 按排序规则组织。不可变只表示不能通过该集合修改内容，不代表迭代顺序固定。

不要依赖未声明的迭代顺序生成分页结果、持久化格式或业务输出。接口没有承诺的顺序，换 JDK、数据分布或实现后可能改变。

3. Set：相等性决定“是否重复”

Set 根据元素的相等性判断成员资格。把对象放进 HashSet 后，如果参与 hashCode 或 equals 的字段发生变化，对象可能仍占据原 hash 桶，却无法被再次找到。

下面的示例使用 Java 16 起引入的 record 定义值类型 key。编译器会根据组件生成 equals() 和 hashCode() 等方法，组件的引用不可重新赋值，但如果组件指向可变对象，对象内部状态仍可能变化。用作 Set 元素或 Map key 时，还要确保参与相等性判断的状态在使用期间保持稳定。尚未阅读现代 Java时，可先把它理解为自动生成值语义的类。

import java.util.HashSet;
import java.util.Locale;
import java.util.Objects;
import java.util.Set;

record UserKey(long tenantId, String email) {
    UserKey {
        Objects.requireNonNull(email);
        email = email.strip().toLowerCase(Locale.ROOT);
    }
}

class SetKeyExample {
    public static void main(String[] args) {
        Set<UserKey> activeUsers = new HashSet<>();
        activeUsers.add(new UserKey(7, "[email protected]"));
        boolean exists = activeUsers.contains(new UserKey(7, "[email protected]"));
    }
}

规则是：

• equals 相等的对象必须有相同 hashCode。
• 反过来不要求：hash 相同的对象可以不相等。
• 用作 Set 元素或 Map key 的对象，在使用期间不要修改参与相等性的字段。
• 可变业务实体通常应先映射为不可变 key，而不是直接放进 Set/Map。

契约的详细推导见对象与值语义。

4. Map：按键访问而不是遍历配对

4.1 HashMap、TreeMap 与 LinkedHashMap

实现	查找/插入平均复杂度	顺序	适用
HashMap	O(1)	无顺序承诺	通用按键查找
TreeMap	O(log n)	key 的自然或自定义顺序	范围查询、按序遍历
LinkedHashMap	O(1)	插入或访问顺序	需要稳定展示顺序、LRU 结构

HashMap 的查找和插入通常是常数时间，但不是每次操作的无条件保证。性能取决于哈希分布、表的容量和具体实现，OpenJDK 会在一定条件下把冲突严重的桶转换为树结构。如果两个对象在业务上代表同一个键，应让它们的 equals() 和 hashCode() 遵守一致的相等性规则；只让 hashCode() 相同不足以让 Map 把它们视为同一个键。

4.2 区分缺值与非法状态

Map<String, Customer> customersById = loadCustomers();

Customer customer = customersById.get(customerId);
if (customer == null) {
    throw new NoSuchElementException("customer not found: " + customerId);
}

null 同时表示“没有这个键”和可能的错误状态，容易把故障变成静默缺值。查询单个对象时，如果“未找到”是正常结果，可以用 Optional 表达结果可能不存在；查询列表时，通常直接返回集合，用空集合表示没有匹配项。至于“未找到”是否抛异常，应由接口契约和调用场景决定。

不同 Map 对 null key/value 的支持并不一致。HashMap 允许一个 null key 和多个 null value；并发 Map 的具体策略应查看对应实现契约，不要把 null 当作跨实现通用值。

5. 迭代、修改与并发

5.1 fail-fast 不是同步机制

普通集合在迭代期间检测到结构性修改时，通常抛出 ConcurrentModificationException。这是尽最大努力的错误检测，不是线程安全保证：

List<String> ids = new ArrayList<>(sourceIds);
for (String id : ids) {
    if (id.startsWith("old-")) {
        ids.remove(id); // 可能立即失败，也可能延迟到下一次检查
    }
}

fail-fast 检查只是尽力检测，不能依赖它保证异常一定出现。需要在遍历时删除元素，可使用显式迭代器的 remove()，或直接用 removeIf()：

ids.removeIf(id -> id.startsWith("old-"));

需要保留原列表时，用 stream 或显式构建结果集合。

5.2 多线程共享要先问修改模式

并发场景	方向
高并发读、偶尔写配置	CopyOnWriteArrayList
键值高并发读写	ConcurrentHashMap
多生产者/消费者或异步任务	BlockingQueue 家族
需要原子地更新单个键对应的值	computeIfAbsent、merge 等并发 Map 方法
普通集合被多个线程修改	同步边界或并发容器，不能靠外部约定

Collections.synchronizedMap(...) 等同步包装器只同步单个方法调用，不会把多个方法调用组合成原子操作。检查后再执行的复合操作仍可能产生竞态：

// 不是原子操作
if (!cache.containsKey(key)) {
    cache.put(key, load(key));
}

并发容器、线程池和生产诊断分别见并发集合、线程池和并发问题诊断。

6. 选择检查清单

1. 数据是否要求唯一、有序或按键访问？
2. 最频繁的操作是按下标、按键、范围还是顺序遍历？
3. key 的 equals/hashCode 是否稳定且表达业务身份？
4. 是否允许可变元素进入 Set/Map？
5. 集合是否跨线程共享，修改是单次调用还是复合操作？
6. 遍历顺序是否被外部协议或用户界面依赖？

7. 下一步

下一章介绍 Stream 与 Optional，继续讨论集合数据的过滤、映射与归约；异常与资源管理则介绍加载和更新失败时的处理方式。

官方参考： Java SE 21 java.util 规约、Map。