【直通BAT】java容器考點總結和源碼剖析

時間 2019-11-08

標籤直通BAT java 容器總結源碼剖析欄目 Java 简体版

原文原文鏈接

1、概覽java
Collectionnode
Mappython
2、容器中的設計模式程序員
迭代器模式面試
適配器模式編程
3、源碼分析設計模式
ArrayList數組
Vector緩存
CopyOnWriteArrayList安全
LinkedList
HashMap
ConcurrentHashMap
LinkedHashMap
WeakHashMap
參考資料

1、概覽

容器主要包括 Collection 和 Map 兩種，Collection 存儲着對象的集合，而 Map 存儲着鍵值對（兩個對象）的映射表。

Collection

1. Set

TreeSet：基於紅黑樹實現，支持有序性操做，例如根據一個範圍查找元素的操做。可是查找效率不如 HashSet，HashSet 查找的時間複雜度爲 O(1)，TreeSet 則爲 O(logN)。
HashSet：基於哈希表實現，支持快速查找，但不支持有序性操做。而且失去了元素的插入順序信息，也就是說使用 Iterator 遍歷 HashSet 獲得的結果是不肯定的。
LinkedHashSet：具備 HashSet 的查找效率，且內部使用雙向鏈表維護元素的插入順序。

2. List

ArrayList：基於動態數組實現，支持隨機訪問。
Vector：和 ArrayList 相似，但它是線程安全的。
LinkedList：基於雙向鏈表實現，只能順序訪問，可是能夠快速地在鏈表中間插入和刪除元素。不只如此，LinkedList 還能夠用做棧、隊列和雙向隊列。

3. Queue

LinkedList：能夠用它來實現雙向隊列。
PriorityQueue：基於堆結構實現，能夠用它來實現優先隊列。

Map

TreeMap：基於紅黑樹實現。
HashMap：基於哈希表實現。
HashTable：和 HashMap 相似，但它是線程安全的，這意味着同一時刻多個線程能夠同時寫入 HashTable 而且不會致使數據不一致。它是遺留類，不該該去使用它。如今可使用 ConcurrentHashMap 來支持線程安全，而且 ConcurrentHashMap 的效率會更高，由於 ConcurrentHashMap 引入了分段鎖。
LinkedHashMap：使用雙向鏈表來維護元素的順序，順序爲插入順序或者最近最少使用（LRU）順序。

2、容器中的設計模式

迭代器模式

Collection 繼承了 Iterable 接口，其中的 iterator() 方法可以產生一個 Iterator 對象，經過這個對象就能夠迭代遍歷 Collection 中的元素。

從 JDK 1.5 以後可使用 foreach 方法來遍歷實現了 Iterable 接口的聚合對象。

List<String> list = new ArrayList<>();
list.add("a");
list.add("b");
for (String item : list) {
    System.out.println(item);
}
複製代碼

適配器模式

java.util.Arrays#asList() 能夠把數組類型轉換爲 List 類型。

@SafeVarargs
public static <T> List<T> asList(T... a) 複製代碼

應該注意的是 asList() 的參數爲泛型的變長參數，不能使用基本類型數組做爲參數，只能使用相應的包裝類型數組。

Integer[] arr = {1, 2, 3};
List list = Arrays.asList(arr);
複製代碼

也可使用如下方式調用 asList()：

List list = Arrays.asList(1, 2, 3);
複製代碼

3、源碼分析

若是沒有特別說明，如下源碼分析基於 JDK 1.8。

在 IDEA 中 double shift 調出 Search EveryWhere，查找源碼文件，找到以後就能夠閱讀源碼。

ArrayList

1. 概覽

實現了 RandomAccess 接口，所以支持隨機訪問。這是理所固然的，由於 ArrayList 是基於數組實現的。

public class ArrayList<E> extends AbstractList<E> implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable 複製代碼

數組的默認大小爲 10。

private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
複製代碼

2. 擴容

添加元素時使用 ensureCapacityInternal() 方法來保證容量足夠，若是不夠時，須要使用 grow() 方法進行擴容，新容量的大小爲 oldCapacity + (oldCapacity >> 1)，也就是舊容量的 1.5 倍。

擴容操做須要調用 Arrays.copyOf() 把原數組整個複製到新數組中，這個操做代價很高，所以最好在建立 ArrayList 對象時就指定大概的容量大小，減小擴容操做的次數。

public boolean add(E e) {
    ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
    elementData[size++] = e;
    return true;
}

private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
    if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
        minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
    }
    ensureExplicitCapacity(minCapacity);
}

private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
    modCount++;
    // overflow-conscious code
    if (minCapacity - elementData.length > 0)
        grow(minCapacity);
}

private void grow(int minCapacity) {
    // overflow-conscious code
    int oldCapacity = elementData.length;
    int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
    if (newCapacity - minCapacity < 0)
        newCapacity = minCapacity;
    if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
        newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
    // minCapacity is usually close to size, so this is a win:
    elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
}
複製代碼

3. 刪除元素

須要調用 System.arraycopy() 將 index+1 後面的元素都複製到 index 位置上，該操做的時間複雜度爲 O(N)，能夠看出 ArrayList 刪除元素的代價是很是高的。

public E remove(int index) {
    rangeCheck(index);
    modCount++;
    E oldValue = elementData(index);
    int numMoved = size - index - 1;
    if (numMoved > 0)
        System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index, numMoved);
    elementData[--size] = null; // clear to let GC do its work
    return oldValue;
}
複製代碼

4. Fail-Fast

modCount 用來記錄 ArrayList 結構發生變化的次數。結構發生變化是指添加或者刪除至少一個元素的全部操做，或者是調整內部數組的大小，僅僅只是設置元素的值不算結構發生變化。

在進行序列化或者迭代等操做時，須要比較操做先後 modCount 是否改變，若是改變了須要拋出 ConcurrentModificationException。

private void writeObject(java.io.ObjectOutputStream s) throws java.io.IOException{
    // Write out element count, and any hidden stuff
    int expectedModCount = modCount;
    s.defaultWriteObject();

    // Write out size as capacity for behavioural compatibility with clone()
    s.writeInt(size);

    // Write out all elements in the proper order.
    for (int i=0; i<size; i++) {
        s.writeObject(elementData[i]);
    }

    if (modCount != expectedModCount) {
        throw new ConcurrentModificationException();
    }
}
複製代碼

5. 序列化

ArrayList 基於數組實現，而且具備動態擴容特性，所以保存元素的數組不必定都會被使用，那麼就不必所有進行序列化。

保存元素的數組 elementData 使用 transient 修飾，該關鍵字聲明數組默認不會被序列化。

transient Object[] elementData; // non-private to simplify nested class access
複製代碼

ArrayList 實現了 writeObject() 和 readObject() 來控制只序列化數組中有元素填充那部份內容。

private void readObject(java.io.ObjectInputStream s) throws java.io.IOException, ClassNotFoundException {
    elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;

    // Read in size, and any hidden stuff
    s.defaultReadObject();

    // Read in capacity
    s.readInt(); // ignored

    if (size > 0) {
        // be like clone(), allocate array based upon size not capacity
        ensureCapacityInternal(size);

        Object[] a = elementData;
        // Read in all elements in the proper order.
        for (int i=0; i<size; i++) {
            a[i] = s.readObject();
        }
    }
}
private void writeObject(java.io.ObjectOutputStream s) throws java.io.IOException{
    // Write out element count, and any hidden stuff
    int expectedModCount = modCount;
    s.defaultWriteObject();

    // Write out size as capacity for behavioural compatibility with clone()
    s.writeInt(size);

    // Write out all elements in the proper order.
    for (int i=0; i<size; i++) {
        s.writeObject(elementData[i]);
    }

    if (modCount != expectedModCount) {
        throw new ConcurrentModificationException();
    }
}
複製代碼

序列化時須要使用 ObjectOutputStream 的 writeObject() 將對象轉換爲字節流並輸出。而 writeObject() 方法在傳入的對象存在 writeObject() 的時候會去反射調用該對象的 writeObject() 來實現序列化。反序列化使用的是 ObjectInputStream 的 readObject() 方法，原理相似。

ArrayList list = new ArrayList();
ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream(file));
oos.writeObject(list);
複製代碼

Vector

1. 同步

它的實現與 ArrayList 相似，可是使用了 synchronized 進行同步。

public synchronized boolean add(E e) {
    modCount++;
    ensureCapacityHelper(elementCount + 1);
    elementData[elementCount++] = e;
    return true;
}

public synchronized E get(int index) {
    if (index >= elementCount)
        throw new ArrayIndexOutOfBoundsException(index);

    return elementData(index);
}
複製代碼

2. 與 ArrayList 的比較

Vector 是同步的，所以開銷就比 ArrayList 要大，訪問速度更慢。最好使用 ArrayList 而不是 Vector，由於同步操做徹底能夠由程序員本身來控制；
Vector 每次擴容請求其大小的 2 倍空間，而 ArrayList 是 1.5 倍。

3. 替代方案

可使用 Collections.synchronizedList(); 獲得一個線程安全的 ArrayList。

List<String> list = new ArrayList<>();
List<String> synList = Collections.synchronizedList(list);
複製代碼

也可使用 concurrent 併發包下的 CopyOnWriteArrayList 類。

List<String> list = new CopyOnWriteArrayList<>();
複製代碼

CopyOnWriteArrayList

讀寫分離

寫操做在一個複製的數組上進行，讀操做仍是在原始數組中進行，讀寫分離，互不影響。

寫操做須要加鎖，防止併發寫入時致使寫入數據丟失。

寫操做結束以後須要把原始數組指向新的複製數組。

public boolean add(E e) {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lock();
    try {
        Object[] elements = getArray();
        int len = elements.length;
        Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
        newElements[len] = e;
        setArray(newElements);
        return true;
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

final void setArray(Object[] a) {
    array = a;
}
@SuppressWarnings("unchecked")
private E get(Object[] a, int index) {
    return (E) a[index];
}
複製代碼

適用場景

CopyOnWriteArrayList 在寫操做的同時容許讀操做，大大提升了讀操做的性能，所以很適合讀多寫少的應用場景。

可是 CopyOnWriteArrayList 有其缺陷：

內存佔用：在寫操做時須要複製一個新的數組，使得內存佔用爲原來的兩倍左右；
數據不一致：讀操做不能讀取實時性的數據，由於部分寫操做的數據還未同步到讀數組中。

因此 CopyOnWriteArrayList 不適合內存敏感以及對實時性要求很高的場景。

LinkedList

1. 概覽

基於雙向鏈表實現，使用 Node 存儲鏈表節點信息。

private static class Node<E> {
    E item;
    Node<E> next;
    Node<E> prev;
}
複製代碼

每一個鏈表存儲了 first 和 last 指針：

transient Node<E> first;
transient Node<E> last;
複製代碼

2. 與 ArrayList 的比較

ArrayList 基於動態數組實現，LinkedList 基於雙向鏈表實現；
ArrayList 支持隨機訪問，LinkedList 不支持；
LinkedList 在任意位置添加刪除元素更快。

HashMap

爲了便於理解，如下源碼分析以 JDK 1.7 爲主。

1. 存儲結構

內部包含了一個 Entry 類型的數組 table。

transient Entry[] table;
複製代碼

Entry 存儲着鍵值對。它包含了四個字段，從 next 字段咱們能夠看出 Entry 是一個鏈表。即數組中的每一個位置被當成一個桶，一個桶存放一個鏈表。HashMap 使用拉鍊法來解決衝突，同一個鏈表中存放哈希值相同的 Entry。

static class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
    final K key;
    V value;
    Entry<K,V> next;
    int hash;

    Entry(int h, K k, V v, Entry<K,V> n) {
        value = v;
        next = n;
        key = k;
        hash = h;
    }

    public final K getKey() {
        return key;
    }

    public final V getValue() {
        return value;
    }

    public final V setValue(V newValue) {
        V oldValue = value;
        value = newValue;
        return oldValue;
    }

    public final boolean equals(Object o) {
        if (!(o instanceof Map.Entry))
            return false;
        Map.Entry e = (Map.Entry)o;
        Object k1 = getKey();
        Object k2 = e.getKey();
        if (k1 == k2 || (k1 != null && k1.equals(k2))) {
            Object v1 = getValue();
            Object v2 = e.getValue();
            if (v1 == v2 || (v1 != null && v1.equals(v2)))
                return true;
        }
        return false;
    }

    public final int hashCode() {
        return Objects.hashCode(getKey()) ^ Objects.hashCode(getValue());
    }

    public final String toString() {
        return getKey() + "=" + getValue();
    }
}
複製代碼

2. 拉鍊法的工做原理

HashMap<String, String> map = new HashMap<>();
map.put("K1", "V1");
map.put("K2", "V2");
map.put("K3", "V3");
複製代碼

新建一個 HashMap，默認大小爲 16；
插入 <K1,V1> 鍵值對，先計算 K1 的 hashCode 爲 115，使用除留餘數法獲得所在的桶下標 115%16=3。
插入 <K2,V2> 鍵值對，先計算 K2 的 hashCode 爲 118，使用除留餘數法獲得所在的桶下標 118%16=6。
插入 <K3,V3> 鍵值對，先計算 K3 的 hashCode 爲 118，使用除留餘數法獲得所在的桶下標 118%16=6，插在 <K2,V2> 前面。

應該注意到鏈表的插入是以頭插法方式進行的，例如上面的 <K3,V3> 不是插在 <K2,V2> 後面，而是插入在鏈表頭部。

查找須要分紅兩步進行：

計算鍵值對所在的桶；
在鏈表上順序查找，時間複雜度顯然和鏈表的長度成正比。

3. put 操做

public V put(K key, V value) {
    if (table == EMPTY_TABLE) {
        inflateTable(threshold);
    }
    // 鍵爲 null 單獨處理
    if (key == null)
        return putForNullKey(value);
    int hash = hash(key);
    // 肯定桶下標
    int i = indexFor(hash, table.length);
    // 先找出是否已經存在鍵爲 key 的鍵值對，若是存在的話就更新這個鍵值對的值爲 value
    for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {
        Object k;
        if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {
            V oldValue = e.value;
            e.value = value;
            e.recordAccess(this);
            return oldValue;
        }
    }

    modCount++;
    // 插入新鍵值對
    addEntry(hash, key, value, i);
    return null;
}
複製代碼

HashMap 容許插入鍵爲 null 的鍵值對。可是由於沒法調用 null 的 hashCode() 方法，也就沒法肯定該鍵值對的桶下標，只能經過強制指定一個桶下標來存放。HashMap 使用第 0 個桶存放鍵爲 null 的鍵值對。

private V putForNullKey(V value) {
    for (Entry<K,V> e = table[0]; e != null; e = e.next) {
        if (e.key == null) {
            V oldValue = e.value;
            e.value = value;
            e.recordAccess(this);
            return oldValue;
        }
    }
    modCount++;
    addEntry(0, null, value, 0);
    return null;
}
複製代碼

使用鏈表的頭插法，也就是新的鍵值對插在鏈表的頭部，而不是鏈表的尾部。

void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
    if ((size >= threshold) && (null != table[bucketIndex])) {
        resize(2 * table.length);
        hash = (null != key) ? hash(key) : 0;
        bucketIndex = indexFor(hash, table.length);
    }

    createEntry(hash, key, value, bucketIndex);
}

void createEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
    Entry<K,V> e = table[bucketIndex];
    // 頭插法，鏈表頭部指向新的鍵值對
    table[bucketIndex] = new Entry<>(hash, key, value, e);
    size++;
}
Entry(int h, K k, V v, Entry<K,V> n) {
    value = v;
    next = n;
    key = k;
    hash = h;
}
複製代碼

4. 肯定桶下標

不少操做都須要先肯定一個鍵值對所在的桶下標。

int hash = hash(key);
int i = indexFor(hash, table.length);
複製代碼

4.1 計算 hash 值

final int hash(Object k) {
    int h = hashSeed;
    if (0 != h && k instanceof String) {
        return sun.misc.Hashing.stringHash32((String) k);
    }

    h ^= k.hashCode();

    // This function ensures that hashCodes that differ only by
    // constant multiples at each bit position have a bounded
    // number of collisions (approximately 8 at default load factor).
    h ^= (h >>> 20) ^ (h >>> 12);
    return h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4);
}
public final int hashCode() {
    return Objects.hashCode(key) ^ Objects.hashCode(value);
}
複製代碼

4.2 取模

令 x = 1<<4，即 x 爲 2 的 4 次方，它具備如下性質：

x   : 00010000
x-1 : 00001111
複製代碼

令一個數 y 與 x-1 作與運算，能夠去除 y 位級表示的第 4 位以上數：

y       : 10110010
x-1     : 00001111
y&(x-1) : 00000010
複製代碼

這個性質和 y 對 x 取模效果是同樣的：

y   : 10110010
x   : 00010000
y%x : 00000010
複製代碼

咱們知道，位運算的代價比求模運算小的多，所以在進行這種計算時用位運算的話能帶來更高的性能。

肯定桶下標的最後一步是將 key 的 hash 值對桶個數取模：hash%capacity，若是能保證 capacity 爲 2 的 n 次方，那麼就能夠將這個操做轉換爲位運算。

static int indexFor(int h, int length) {
    return h & (length-1);
}
複製代碼

5. 擴容-基本原理

設 HashMap 的 table 長度爲 M，須要存儲的鍵值對數量爲 N，若是哈希函數知足均勻性的要求，那麼每條鏈表的長度大約爲 N/M，所以平均查找次數的複雜度爲 O(N/M)。

爲了讓查找的成本下降，應該儘量使得 N/M 儘量小，所以須要保證 M 儘量大，也就是說 table 要儘量大。HashMap 採用動態擴容來根據當前的 N 值來調整 M 值，使得空間效率和時間效率都能獲得保證。

和擴容相關的參數主要有：capacity、size、threshold 和 load_factor。

參數	含義
capacity	table 的容量大小，默認爲 16。須要注意的是 capacity 必須保證爲 2 的 n 次方。
size	鍵值對數量。
threshold	size 的臨界值，當 size 大於等於 threshold 就必須進行擴容操做。
loadFactor	裝載因子，table 可以使用的比例，threshold = capacity * loadFactor。

static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 16;

static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;

static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;

transient Entry[] table;

transient int size;

int threshold;

final float loadFactor;

transient int modCount;
複製代碼

從下面的添加元素代碼中能夠看出，當須要擴容時，令 capacity 爲原來的兩倍。

void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
    Entry<K,V> e = table[bucketIndex];
    table[bucketIndex] = new Entry<>(hash, key, value, e);
    if (size++ >= threshold)
        resize(2 * table.length);
}
複製代碼

擴容使用 resize() 實現，須要注意的是，擴容操做一樣須要把 oldTable 的全部鍵值對從新插入 newTable 中，所以這一步是很費時的。

void resize(int newCapacity) {
    Entry[] oldTable = table;
    int oldCapacity = oldTable.length;
    if (oldCapacity == MAXIMUM_CAPACITY) {
        threshold = Integer.MAX_VALUE;
        return;
    }
    Entry[] newTable = new Entry[newCapacity];
    transfer(newTable);
    table = newTable;
    threshold = (int)(newCapacity * loadFactor);
}

void transfer(Entry[] newTable) {
    Entry[] src = table;
    int newCapacity = newTable.length;
    for (int j = 0; j < src.length; j++) {
        Entry<K,V> e = src[j];
        if (e != null) {
            src[j] = null;
            do {
                Entry<K,V> next = e.next;
                int i = indexFor(e.hash, newCapacity);
                e.next = newTable[i];
                newTable[i] = e;
                e = next;
            } while (e != null);
        }
    }
}
複製代碼

6. 擴容-從新計算桶下標

在進行擴容時，須要把鍵值對從新放到對應的桶上。HashMap 使用了一個特殊的機制，能夠下降從新計算桶下標的操做。

假設原數組長度 capacity 爲 16，擴容以後 new capacity 爲 32：

capacity     : 00010000
new capacity : 00100000
複製代碼

對於一個 Key，

它的哈希值若是在第 5 位上爲 0，那麼取模獲得的結果和以前同樣；
若是爲 1，那麼獲得的結果爲原來的結果 +16。

7. 計算數組容量

HashMap 構造函數容許用戶傳入的容量不是 2 的 n 次方，由於它能夠自動地將傳入的容量轉換爲 2 的 n 次方。

先考慮如何求一個數的掩碼，對於 10010000，它的掩碼爲 11111111，可使用如下方法獲得：

mask |= mask >> 1    11011000
mask |= mask >> 2    11111110
mask |= mask >> 4    11111111
複製代碼

mask+1 是大於原始數字的最小的 2 的 n 次方。

num     10010000
mask+1 100000000
複製代碼

如下是 HashMap 中計算數組容量的代碼：

static final int tableSizeFor(int cap) {
    int n = cap - 1;
    n |= n >>> 1;
    n |= n >>> 2;
    n |= n >>> 4;
    n |= n >>> 8;
    n |= n >>> 16;
    return (n < 0) ? 1 : (n >= MAXIMUM_CAPACITY) ? MAXIMUM_CAPACITY : n + 1;
}
複製代碼

8. 鏈表轉紅黑樹

從 JDK 1.8 開始，一個桶存儲的鏈表長度大於 8 時會將鏈表轉換爲紅黑樹。

9. 與 HashTable 的比較

HashTable 使用 synchronized 來進行同步。
HashMap 能夠插入鍵爲 null 的 Entry。
HashMap 的迭代器是 fail-fast 迭代器。
HashMap 不能保證隨着時間的推移 Map 中的元素次序是不變的。

ConcurrentHashMap

1. 存儲結構

static final class HashEntry<K,V> {
    final int hash;
    final K key;
    volatile V value;
    volatile HashEntry<K,V> next;
}
複製代碼

ConcurrentHashMap 和 HashMap 實現上相似，最主要的差異是 ConcurrentHashMap 採用了分段鎖（Segment），每一個分段鎖維護着幾個桶（HashEntry），多個線程能夠同時訪問不一樣分段鎖上的桶，從而使其併發度更高（併發度就是 Segment 的個數）。

Segment 繼承自 ReentrantLock。

static final class Segment<K,V> extends ReentrantLock implements Serializable {

    private static final long serialVersionUID = 2249069246763182397L;

    static final int MAX_SCAN_RETRIES =
        Runtime.getRuntime().availableProcessors() > 1 ? 64 : 1;

    transient volatile HashEntry<K,V>[] table;

    transient int count;

    transient int modCount;

    transient int threshold;

    final float loadFactor;
}
final Segment<K,V>[] segments;
複製代碼

默認的併發級別爲 16，也就是說默認建立 16 個 Segment。

static final int DEFAULT_CONCURRENCY_LEVEL = 16;
複製代碼

2. size 操做

每一個 Segment 維護了一個 count 變量來統計該 Segment 中的鍵值對個數。

/** * The number of elements. Accessed only either within locks * or among other volatile reads that maintain visibility. */
transient int count;
複製代碼

在執行 size 操做時，須要遍歷全部 Segment 而後把 count 累計起來。

ConcurrentHashMap 在執行 size 操做時先嚐試不加鎖，若是連續兩次不加鎖操做獲得的結果一致，那麼能夠認爲這個結果是正確的。

嘗試次數使用 RETRIES_BEFORE_LOCK 定義，該值爲 2，retries 初始值爲 -1，所以嘗試次數爲 3。

若是嘗試的次數超過 3 次，就須要對每一個 Segment 加鎖。

/** * Number of unsynchronized retries in size and containsValue * methods before resorting to locking. This is used to avoid * unbounded retries if tables undergo continuous modification * which would make it impossible to obtain an accurate result. */
static final int RETRIES_BEFORE_LOCK = 2;

public int size() {
    // Try a few times to get accurate count. On failure due to
    // continuous async changes in table, resort to locking.
    final Segment<K,V>[] segments = this.segments;
    int size;
    boolean overflow; // true if size overflows 32 bits
    long sum;         // sum of modCounts
    long last = 0L;   // previous sum
    int retries = -1; // first iteration isn't retry
    try {
        for (;;) {
            // 超過嘗試次數，則對每一個 Segment 加鎖
            if (retries++ == RETRIES_BEFORE_LOCK) {
                for (int j = 0; j < segments.length; ++j)
                    ensureSegment(j).lock(); // force creation
            }
            sum = 0L;
            size = 0;
            overflow = false;
            for (int j = 0; j < segments.length; ++j) {
                Segment<K,V> seg = segmentAt(segments, j);
                if (seg != null) {
                    sum += seg.modCount;
                    int c = seg.count;
                    if (c < 0 || (size += c) < 0)
                        overflow = true;
                }
            }
            // 連續兩次獲得的結果一致，則認爲這個結果是正確的
            if (sum == last)
                break;
            last = sum;
        }
    } finally {
        if (retries > RETRIES_BEFORE_LOCK) {
            for (int j = 0; j < segments.length; ++j)
                segmentAt(segments, j).unlock();
        }
    }
    return overflow ? Integer.MAX_VALUE : size;
}
複製代碼

3. JDK 1.8 的改動

JDK 1.7 使用分段鎖機制來實現併發更新操做，核心類爲 Segment，它繼承自重入鎖 ReentrantLock，併發度與 Segment 數量相等。

JDK 1.8 使用了 CAS 操做來支持更高的併發度，在 CAS 操做失敗時使用內置鎖 synchronized。

而且 JDK 1.8 的實現也在鏈表過長時會轉換爲紅黑樹。

LinkedHashMap

存儲結構

繼承自 HashMap，所以具備和 HashMap 同樣的快速查找特性。

public class LinkedHashMap<K,V> extends HashMap<K,V> implements Map<K,V>
複製代碼

內部維護了一個雙向鏈表，用來維護插入順序或者 LRU 順序。

/** * The head (eldest) of the doubly linked list. */
transient LinkedHashMap.Entry<K,V> head;

/** * The tail (youngest) of the doubly linked list. */
transient LinkedHashMap.Entry<K,V> tail;
複製代碼

accessOrder 決定了順序，默認爲 false，此時維護的是插入順序。

final boolean accessOrder;
複製代碼

LinkedHashMap 最重要的是如下用於維護順序的函數，它們會在 put、get 等方法中調用。

void afterNodeAccess(Node<K,V> p) { }
void afterNodeInsertion(boolean evict) { }
複製代碼

afterNodeAccess()

當一個節點被訪問時，若是 accessOrder 爲 true，則會將該節點移到鏈表尾部。也就是說指定爲 LRU 順序以後，在每次訪問一個節點時，會將這個節點移到鏈表尾部，保證鏈表尾部是最近訪問的節點，那麼鏈表首部就是最近最久未使用的節點。

void afterNodeAccess(Node<K,V> e) { // move node to last
    LinkedHashMap.Entry<K,V> last;
    if (accessOrder && (last = tail) != e) {
        LinkedHashMap.Entry<K,V> p =
            (LinkedHashMap.Entry<K,V>)e, b = p.before, a = p.after;
        p.after = null;
        if (b == null)
            head = a;
        else
            b.after = a;
        if (a != null)
            a.before = b;
        else
            last = b;
        if (last == null)
            head = p;
        else {
            p.before = last;
            last.after = p;
        }
        tail = p;
        ++modCount;
    }
}
複製代碼

afterNodeInsertion()

在 put 等操做以後執行，當 removeEldestEntry() 方法返回 true 時會移除最晚的節點，也就是鏈表首部節點 first。

evict 只有在構建 Map 的時候才爲 false，在這裏爲 true。

void afterNodeInsertion(boolean evict) { // possibly remove eldest
    LinkedHashMap.Entry<K,V> first;
    if (evict && (first = head) != null && removeEldestEntry(first)) {
        K key = first.key;
        removeNode(hash(key), key, null, false, true);
    }
}
複製代碼

removeEldestEntry() 默認爲 false，若是須要讓它爲 true，須要繼承 LinkedHashMap 而且覆蓋這個方法的實現，這在實現 LRU 的緩存中特別有用，經過移除最近最久未使用的節點，從而保證緩存空間足夠，而且緩存的數據都是熱點數據。

protected boolean removeEldestEntry(Map.Entry<K,V> eldest) {
    return false;
}
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LRU 緩存

如下是使用 LinkedHashMap 實現的一個 LRU 緩存：

設定最大緩存空間 MAX_ENTRIES 爲 3；
使用 LinkedHashMap 的構造函數將 accessOrder 設置爲 true，開啓 LRU 順序；
覆蓋 removeEldestEntry() 方法實現，在節點多於 MAX_ENTRIES 就會將最近最久未使用的數據移除。

class LRUCache<K, V> extends LinkedHashMap<K, V> {
    private static final int MAX_ENTRIES = 3;

    protected boolean removeEldestEntry(Map.Entry eldest) {
        return size() > MAX_ENTRIES;
    }

    LRUCache() {
        super(MAX_ENTRIES, 0.75f, true);
    }
}
public static void main(String[] args) {
    LRUCache<Integer, String> cache = new LRUCache<>();
    cache.put(1, "a");
    cache.put(2, "b");
    cache.put(3, "c");
    cache.get(1);
    cache.put(4, "d");
    System.out.println(cache.keySet());
}
[3, 1, 4]
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WeakHashMap

存儲結構

WeakHashMap 的 Entry 繼承自 WeakReference，被 WeakReference 關聯的對象在下一次垃圾回收時會被回收。

WeakHashMap 主要用來實現緩存，經過使用 WeakHashMap 來引用緩存對象，由 JVM 對這部分緩存進行回收。

private static class Entry<K,V> extends WeakReference<Object> implements Map.Entry<K,V>
複製代碼

ConcurrentCache

Tomcat 中的 ConcurrentCache 使用了 WeakHashMap 來實現緩存功能。

ConcurrentCache 採起的是分代緩存：

常用的對象放入 eden 中，eden 使用 ConcurrentHashMap 實現，不用擔憂會被回收（伊甸園）；
不經常使用的對象放入 longterm，longterm 使用 WeakHashMap 實現，這些老對象會被垃圾收集器回收。
當調用 get() 方法時，會先從 eden 區獲取，若是沒有找到的話再到 longterm 獲取，當從 longterm 獲取到就把對象放入 eden 中，從而保證常常被訪問的節點不容易被回收。
當調用 put() 方法時，若是 eden 的大小超過了 size，那麼就將 eden 中的全部對象都放入 longterm 中，利用虛擬機回收掉一部分不常用的對象。

public final class ConcurrentCache<K, V> {

    private final int size;

    private final Map<K, V> eden;

    private final Map<K, V> longterm;

    public ConcurrentCache(int size) {
        this.size = size;
        this.eden = new ConcurrentHashMap<>(size);
        this.longterm = new WeakHashMap<>(size);
    }

    public V get(K k) {
        V v = this.eden.get(k);
        if (v == null) {
            v = this.longterm.get(k);
            if (v != null)
                this.eden.put(k, v);
        }
        return v;
    }

    public void put(K k, V v) {
        if (this.eden.size() >= size) {
            this.longterm.putAll(this.eden);
            this.eden.clear();
        }
        this.eden.put(k, v);
    }
}
複製代碼

參考資料

Eckel B. Java 編程思想 [M]. 機械工業出版社, 2002.
Java Collection Framework
Iterator 模式
Java 8 系列之從新認識 HashMap
What is difference between HashMap and Hashtable in Java?
Java 集合之 HashMap
The principle of ConcurrentHashMap analysis
探索 ConcurrentHashMap 高併發性的實現機制
HashMap 相關面試題及其解答
Java 集合細節（二）：asList 的缺陷
Java Collection Framework – The LinkedList Class

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