Collection、List、Set、Map 介面：階層結構

1. 什麼是 Collection 介面

在 Java 中，介面就像契約：如果類別實作介面，就必須提供該介面所有方法的實作。介面本身不保存狀態，也不包含程式碼（幾乎如此：自 Java 8 起允許有 default 方法，但此處重點在於基本概念）。

Collection 是 Java 中多數集合的基礎介面。它定義了集合能做的事：新增元素、刪除元素、取得大小、檢查是否包含元素等。

public interface Collection<E> extends Iterable<E> {
    int size();
    boolean isEmpty();
    boolean contains(Object o);
    boolean add(E e);
    boolean remove(Object o);
    void clear();
    Iterator<E> iterator();
    // ... 還有一堆實用的方法
}

關鍵方法：

• add(E e) — 新增元素。
• remove(Object o) — 刪除元素。
• size() — 取得元素數量。
• isEmpty() — 檢查集合是否為空。
• contains(Object o) — 檢查是否包含某元素。
• clear() — 清空集合。
• iterator() — 取得可用於迭代的迭代器。

為什麼 Map 不繼承 Collection？

Map 在集合中是獨立的一支。因為 Map 是由「鍵 → 值」配對組成，而不是單純的元素集合。它有不同的契約與方法集合。比如在 Map 中沒有 add 方法，因為新增是透過 put(key, value) 完成；此外，不知道鍵時去檢查值是否存在也沒有意義。

2. 集合的階層結構

可以想像主要介面的「樹狀」結構如下：

                Iterable
                   |
               Collection
               /    |    \
            List   Set   Queue
                          |
                        Deque

• Iterable — 最底層的介面：凡是能在 for-each 迴圈中迭代的東西。
• Collection — 擴充自 Iterable，新增了對元素集合進行操作的方法。
• 三大分支：
  • List — 有序列表，允許重複。
  • Set — 唯一元素的集合，順序取決於實作。
  • Queue — 佇列（通常是 FIFO）；其子類為 Deque（雙端佇列）。

而 Map 是獨立的一支：

                Map
               /   \
         HashMap  TreeMap

階層可視化（示意圖）

                            +--------------------+
                            |     Iterable<E>    |
                            +--------------------+
                                     |
                            +--------------------+
                            |   Collection<E>    |
                            +--------------------+
                          /     |         \
                +--------+   +-------+   +-------+
                |  List  |   |  Set |   | Queue |
                +--------+   +-------+   +-------+
                                     |
                                  +------+
                                  |Deque |
                                  +------+

        +--------------------+
        |      Map<K,V>      |
        +--------------------+

3. List：有序且允許重複的集合

List 是一種集合，其特性為：

• 元素的順序很重要（第一個、第二個、第三個…）。
• 允許相同元素（可有重複）。
• 可透過索引取得元素（如 list.get(2)）、替換、或插入到任意位置。

實作範例： ArrayList — 以索引存取很快；LinkedList — 適合在中間頻繁插入/刪除的情境。

import java.util.*;

List<String> shoppingList = new ArrayList<>();
shoppingList.add("牛奶");
shoppingList.add("麵包");
shoppingList.add("起司");
shoppingList.add("麵包"); // 允許重複！

System.out.println(shoppingList.get(1)); // "麵包"

List 的常用方法：

• add(E e)、add(int index, E e)
• get(int index)、set(int index, E e)
• remove(int index)、remove(Object o)
• indexOf(Object o)、lastIndexOf(Object o)

4. Set：唯一元素的集合

Set 是一種集合，其特性為：

• 每個元素皆唯一（不允許重複）。
• HashSet 不保證順序，TreeSet 可排序，LinkedHashSet 保留插入順序。

實作範例： HashSet、TreeSet、LinkedHashSet。

import java.util.*;

Set<String> uniqueNames = new HashSet<>();
uniqueNames.add("安雅");
uniqueNames.add("鮑里斯");
uniqueNames.add("安雅"); // 不會加入—已經存在！

System.out.println(uniqueNames.contains("安雅")); // true
System.out.println(uniqueNames.size()); // 2

Set 的常用方法：

• add(E e)、remove(Object o)
• contains(Object o)
• size()、isEmpty()

5. Map：鍵值對的集合

Map 是一種集合，其特性為：

• 每個元素都是一組鍵 → 值配對。
• 鍵必須唯一，值可以重複。
• 可透過鍵進行快速存取。

實作範例： HashMap、TreeMap、LinkedHashMap。

import java.util.*;

Map<String, String> phoneBook = new HashMap<>();
phoneBook.put("安雅", "+19991112233");
phoneBook.put("鮑里斯", "+19994445566");
phoneBook.put("安雅", "+19990001122"); // 會覆寫安雅的號碼！

System.out.println(phoneBook.get("安雅")); // "+19990001122"
System.out.println(phoneBook.containsKey("鮑里斯")); // true

Map 的常用方法：

• put(K key, V value)、get(K key)
• remove(K key)
• containsKey(K key)、containsValue(V value)
• keySet()、values()、entrySet()

6. 階層可視化：一圖看懂

簡要匯總表：

List

ArrayList, LinkedList

Set

HashSet, TreeSet

Map

HashMap, TreeMap

階層示意：

                Collection
                /    |    \
             List   Set   Queue
                            |
                          Deque

                Map（獨立）

7. 何時使用哪個介面

List

• 當元素的順序很重要時（例如使用者操作歷史）。
• 當需要重複元素時（例如訂單項目）。
• 當需要快速依索引存取/替換時。

Set

• 當需要唯一性時（email、登入名稱、id）。
• 當不在意順序，或反過來—需要自動排序的集合（TreeSet）。

Map

• 當需要對應鍵與值時（id → 物件，登入 → 個人檔案）。
• 當需要以鍵快速查找時。
• 當鍵必須唯一而值不必唯一時。

8. 使用集合階層的常見錯誤

錯誤 1：在變數宣告時使用了錯誤的介面。 如果你寫 ArrayList<String> list = new ArrayList<>();，就把自己綁死在某個實作上。更好的做法是 List<String> list = new ArrayList<>();——如此更容易替換實作。

錯誤 2：嘗試在 Set 中加入重複元素並期待它們會出現。 這不是 bug，而是設計特性：Set 依定義就不保存重複元素。重複插入會被忽略。

錯誤 3：把 Map 當成一般集合來用。 Map 既不是列表也不是集合。要遍歷時請使用 keySet()、values() 或 entrySet()。

錯誤 4：在 HashSet 或 HashMap 中期待有順序。 HashSet 和 HashMap 不保證順序。若順序很重要—請使用 LinkedHashSet 或 LinkedHashMap。

錯誤 5：為了唯一元素而使用 List。 若需要唯一性—請使用 Set。List 不會避免重複。