Java 集合概覽 — 為什麼需要集合

1. 介紹

我們之前已經了解過「無限長的陣列」——也就是清單。現在讓我們更深入一些，先再問一次：什麼是「傳統」陣列？仔細一看，它像是一個有固定隔間數量的工具箱。假設箱子有 10 個格子。若你出現了第 11 個工具，怎麼辦？只好再買一個新箱子！傳統陣列的大小是固定的，建立之後長度就不會改變。

如果需要新增或刪除元素，就得建立新陣列並手動複製資料。陣列能夠快速透過索引找到元素，但要在中間插入元素並不是單純「插入」，而是「把右邊全部往右移」；刪除時則要「往左移」。這既慢又不方便。除此之外，陣列本身不包含任何額外的「邏輯」：它只是保存一組格子；排序、依內容搜尋或檢查唯一性都得靠外部手段完成。

範例：動態的學生清單

假設你在寫一個用於管理某個班級學生的應用程式。起初有 5 個人，接著又來了一位，然後有人離開。用陣列會是這樣：

String[] students = new String[5];
students[0] = "伊凡";
students[1] = "瑪麗亞";
// 以此類推...

// 糟了，又來了一位學生
// 只好建立新的陣列！
String[] newStudents = new String[6];
for (int i = 0; i < students.length; i++) {
    newStudents[i] = students[i];
}
newStudents[5] = "阿列克謝";
students = newStudents;

方便嗎？委婉地說，並不。若這類操作很多呢？你就會想要更方便的工具……

2. 什麼是集合？

集合是用來存放一組其他物件（元素）的容器。集合允許新增、刪除、遍歷元素，並執行其他操作：搜尋、排序、過濾等等。

在 Java 中，所有集合都會實作或繼承介面 Collection（而對映則是 Map）。集合不只是「一堆東西」，而是一個提供便利且設計良好方法的結構，用於操作元素。

為什麼集合是物件？

因為集合是以類別實作，所以你可以建立任何物件的集合、將它們組合、繼承、擴充，並在自己的類別與方法中使用。

範例：

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

List<String> students = new ArrayList<>();
students.add("伊凡");
students.add("瑪麗亞");
students.add("阿列克謝");

搞定！現在可以隨意新增學生，不必再擔心陣列大小。

3. 集合能解決的典型任務

集合是處理資料的瑞士刀。它們可以解決以下問題：

• 儲存動態資料清單： 例如學生名單、排程中的工作、聊天訊息。
• 搜尋與篩選： 快速找到元素、檢查其是否存在、取得符合某條件的所有元素。
• 排序： 依所需準則輕鬆排序元素。
• 新增與刪除元素： 可在集合的任意位置插入與刪除元素，而不需要手動複製陣列。
• 依鍵分組： 例如電話簿，每個名字對應一個電話號碼。
• 保證唯一性： 例如文字中所有不重複單字的集合。

範例：電話簿

用陣列：

• 如何依名字找到號碼？得逐一遍歷陣列並比較名字。
• 如何新增一組配對？必須擴充陣列。
• 如何確保名字不重複？更麻煩。

用集合：

• 使用 Map<String, String>，上述需求都能「開箱即用」。

4. 主要集合類型概覽

在 Java 中，集合大致分為三大類：

清單（List）

• 有序的集合，允許重複。
• 可透過索引取得元素。
• 範例：ArrayList、LinkedList。

集合（Set）

• 只保存唯一元素。
• 不支援索引存取。
• 範例：HashSet、TreeSet。

對映（Map）

• 儲存鍵-值對。
• 依鍵快速查找。
• 範例：HashMap、TreeMap。

視覺化示意（非常粗略）：

+------------------+       +-------------------+      +---------------------+
|     List         |       |        Set        |      |         Map         |
|------------------|       |-------------------|      |---------------------|
| [a, b, c, d, a]  |       | {a, b, c, d}      |      | {a=1, b=2, c=3}     |
| 索引：有         |       | 索引：無          |      | 依鍵查找            |
| 重複：可         |       | 重複：不可        |      | 鍵唯一              |
+------------------+       +-------------------+      +---------------------+

5. 實用細節

何時使用哪一種集合？

List —— 當元素順序重要、需要允許重複、需要索引存取時（例如待辦清單、訊息歷史）。

Set —— 當只需要唯一元素且不在乎順序時（例如唯一使用者的集合）。

Map —— 當需要將鍵與值配對時（例如電話簿：名字是鍵，電話是值）。

生活中的比喻

List —— 自助餐的排隊：先到先服務，也能重複排隊（允許重複）。

Set —— 派對賓客名單：每位賓客只會出現一次（唯一）。

Map —— 通訊錄：每個名字都有自己的電話。

速查表：集合 vs 陣列

6. 集合與 OOP 的關係

集合是實作特定介面（List、Set、Map）的物件。這代表你可以：

• 在集合中存放任何物件，包括你自訂類別的實例。
• 建立集合的集合（例如清單的清單）。
• 將集合用作方法參數與回傳值。
• 透過繼承與組合擴充集合的功能。

範例：自訂類別物件的集合

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

class Student {
    String name;
    int age;
    // 建構子、getter/setter 等等
}

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        List<Student> group = new ArrayList<>();
        group.add(new Student("伊凡", 20));
        group.add(new Student("瑪麗亞", 21));
        // 以此類推...
    }
}

7. 使用集合時的常見錯誤

錯誤 №1：使用未指定型別的集合（raw types）。
如果你寫的是 ArrayList list = new ArrayList()，那麼新增任何物件（例如字串與數字混在一起）時編譯器都不會報錯，但之後嘗試取出元素並轉型成需要的型別時，就可能在執行期發生錯誤（ClassCastException）。務必使用泛型：ArrayList<String> list = new ArrayList<>()。

錯誤 №2：忘了匯入所需類別。
如果你看到「cannot find symbol」的錯誤，請確認檔案開頭有 import java.util.ArrayList; 或你的集合所需的匯入。

錯誤 №3：混淆集合與陣列。
集合不是陣列！集合沒有 length 欄位，請改用 size() 方法。陣列沒有 add() 方法，而集合沒有用於索引存取的 [] 運算子（只有清單可以透過 get(index) 取得）。

錯誤 №4：以為元素順序一定會被保留。
如果你使用 Set 或 Map，元素的順序並不保證（除非使用像 LinkedHashSet 或 TreeMap 這類特殊實作）。若需要有序資料，請使用 List 或相應的集合。

錯誤 №5：在集合中使用基本型別。
集合只能保存物件，不能保存基本型別。也就是說不能建立 List<int>，只能 List<Integer>。別忘了包裝類別！