Java集合的小抄 Java初學者必備

List
ArrayList

以數組實現。節約空間，但數組有容量限制。超出限制時會增長50%容量，用System.arraycopy()複製到新的數組，所以最好能給出數組大小的預估值。默認第一次插入元素時建立大小爲10的數組。
按數組下標訪問元素–get(i)/set(i,e) 的性能很高，這是數組的基本優點。
直接在數組末尾加入元素–add(e)的性能也高，但若是按下標插入、刪除元素–add(i,e), remove(i), remove(e)，則要用System.arraycopy()來移動部分受影響的元素，性能就變差了，這是基本劣勢。

LinkedList

以雙向鏈表實現。鏈表無容量限制，但雙向鏈表自己使用了更多空間，也須要額外的鏈表指針操做。
按下標訪問元素–get(i)/set(i,e) 要悲劇的遍歷鏈表將指針移動到位(若是i>數組大小的一半，會從末尾移起)。
插入、刪除元素時修改先後節點的指針便可，但仍是要遍歷部分鏈表的指針才能移動到下標所指的位置，只有在鏈表兩頭的操做–add(), addFirst(),removeLast()或用iterator()上的remove()能省掉指針的移動。

CopyOnWriteArrayList

併發優化的ArrayList。用CopyOnWrite策略，在修改時先複製一個快照來修改，改完再讓內部指針指向新數組。
由於對快照的修改對讀操做來講不可見，因此只有寫鎖沒有讀鎖，加上覆制的昂貴成本，典型的適合讀多寫少的場景。若是更新頻率較高，或數組較大時，仍是Collections.synchronizedList(list)，對全部操做用同一把鎖來保證線程安全更好。
增長了addIfAbsent(e)方法，會遍歷數組來檢查元素是否已存在，性能可想像的不會太好。

補充

不管哪一種實現，按值返回下標–contains(e), indexOf(e), remove(e) 都需遍歷全部元素進行比較，性能可想像的不會太好。
沒有按元素值排序的SortedList，在線程安全類中也沒有無鎖算法的ConcurrentLinkedList，湊合着用Set與Queue中的等價類時，會缺乏一些List特有的方法。
Map
HashMap

以Entry[]數組實現的哈希桶數組，用Key的哈希值取模桶數組的大小可獲得數組下標。

插入元素時，若是兩條Key落在同一個桶(好比哈希值1和17取模16後都屬於第一個哈希桶)，Entry用一個next屬性實現多個Entry以單向鏈表存放，後入桶的Entry將next指向桶當前的Entry。

查找哈希值爲17的key時，先定位到第一個哈希桶，而後以鏈表遍歷桶裏全部元素，逐個比較其key值。

當Entry數量達到桶數量的75%時(不少文章說使用的桶數量達到了75%，但看代碼不是)，會成倍擴容桶數組，並從新分配全部原來的Entry，因此這裏也最好有個預估值。

取模用位運算(hash & (arrayLength-1))會比較快，因此數組的大小永遠是2的N次方， 你隨便給一個初始值好比17會轉爲32。默認第一次放入元素時的初始值是16。

iterator()時順着哈希桶數組來遍歷，看起來是個亂序。

在JDK8裏，新增默認爲8的閥值，當一個桶裏的Entry超過閥值，就不以單向鏈表而以紅黑樹來存放以加快Key的查找速度。

LinkedHashMap

擴展HashMap增長雙向鏈表的實現，號稱是最佔內存的數據結構。支持iterator()時按Entry的插入順序來排序(可是更新不算， 若是設置accessOrder屬性爲true，則全部讀寫訪問都算)。

實現上是在Entry上再增長屬性before/after指針，插入時把本身加到Header Entry的前面去。若是全部讀寫訪問都要排序，還要把先後Entry的before/after拼接起來以在鏈表中刪除掉本身。

TreeMap

以紅黑樹實現，篇幅所限詳見入門教程。支持iterator()時按Key值排序，可按實現了Comparable接口的Key的升序排序，或由傳入的Comparator控制。可想象的，在樹上插入/刪除元素的代價必定比HashMap的大。

支持SortedMap接口，如firstKey()，lastKey()取得最大最小的key，或sub(fromKey, toKey), tailMap(fromKey)剪取Map的某一段。

ConcurrentHashMap

併發優化的HashMap，默認16把寫鎖(能夠設置更多)，有效分散了阻塞的機率，並且沒有讀鎖。

數據結構爲Segment[]，Segment裏面纔是哈希桶數組，每一個Segment一把鎖。Key先算出它在哪一個Segment裏，再算出它在哪一個哈希桶裏。

支持ConcurrentMap接口，如putIfAbsent(key，value)與相反的replace(key，value)與以及實現CAS的replace(key, oldValue, newValue)。

沒有讀鎖是由於put/remove動做是個原子動做(好比put是一個對數組元素/Entry 指針的賦值操做)，讀操做不會看到一個更新動做的中間狀態。

ConcurrentSkipListMap

JDK6新增的併發優化的SortedMap，以SkipList實現。SkipList是紅黑樹的一種簡化替代方案，是個流行的有序集合算法，篇幅所限見入門教程。Concurrent包選用它是由於它支持基於CAS的無鎖算法，而紅黑樹則沒有好的無鎖算法。
很特殊的，它的size()不能隨便調，會遍從來統計。

補充

關於null，HashMap和LinkedHashMap是隨意的，TreeMap沒有設置Comparator時key不能爲null；ConcurrentHashMap在JDK7裏value不能爲null(這是爲何呢？)，JDK8裏key與value都不能爲null；ConcurrentSkipListMap是全部JDK裏key與value都不能爲null。
Set
Set幾乎都是內部用一個Map來實現, 由於Map裏的KeySet就是一個Set，而value是假值，所有使用同一個Object。Set的特徵也繼承了那些內部Map實現的特徵。

• HashSet：內部是HashMap。

• LinkedHashSet：內部是LinkedHashMap。

• TreeSet：內部是TreeMap的SortedSet。

• ConcurrentSkipListSet：內部是ConcurrentSkipListMap的併發優化的SortedSet。

• CopyOnWriteArraySet：內部是CopyOnWriteArrayList的併發優化的Set，利用其addIfAbsent()方法實現元素去重，如前所述該方法的性能很通常。

補充：好像少了個ConcurrentHashSet，原本也該有一個內部用ConcurrentHashMap的簡單實現，但JDK恰恰沒提供。Jetty就本身封了一個，Guava則直接用java.util.Collections.newSetFromMap(new ConcurrentHashMap()) 實現。
Queue
Queue是在兩端出入的List，因此也能夠用數組或鏈表來實現。

–普通隊列–

LinkedList

是的，以雙向鏈表實現的LinkedList既是List，也是Queue。它是惟一一個容許放入null的Queue。

ArrayDeque

以循環數組實現的雙向Queue。大小是2的倍數，默認是16。

普通數組只能快速在末尾添加元素，爲了支持FIFO，從數組頭快速取出元素，就須要使用循環數組：有隊頭隊尾兩個下標：彈出元素時，隊頭下標遞增；加入元素時，若是已到數組空間的末尾，則將元素循環賦值到數組[0](若是此時隊頭下標大於0，說明隊頭彈出過元素，有空位)，同時隊尾下標指向0，再插入下一個元素則賦值到數組[1]，隊尾下標指向1。若是隊尾的下標追上隊頭，說明數組全部空間已用完，進行雙倍的數組擴容。

PriorityQueue

用二叉堆實現的優先級隊列，詳見入門教程，再也不是FIFO而是按元素實現的Comparable接口或傳入Comparator的比較結果來出隊，數值越小，優先級越高，越先出隊。可是注意其iterator()的返回不會排序。

–線程安全的隊列–

ConcurrentLinkedQueue/ConcurrentLinkedDeque

無界的併發優化的Queue，基於鏈表，實現了依賴於CAS的無鎖算法。

ConcurrentLinkedQueue的結構是單向鏈表和head/tail兩個指針，由於入隊時須要修改隊尾元素的next指針，以及修改tail指向新入隊的元素兩個CAS動做沒法原子，因此須要的特殊的算法，篇幅所限見入門教程。

PriorityBlockingQueue

無界的併發優化的PriorityQueue，也是基於二叉堆。使用一把公共的讀寫鎖。雖然實現了BlockingQueue接口，其實沒有任何阻塞隊列的特徵，空間不夠時會自動擴容。

DelayQueue

內部包含一個PriorityQueue，一樣是無界的。元素需實現Delayed接口，每次調用時需返回當前離觸發時間還有多久，小於0表示該觸發了。

pull()時會用peek()查看隊頭的元素，檢查是否到達觸發時間。ScheduledThreadPoolExecutor用了相似的結構。

–線程安全的阻塞隊列–

BlockingQueue的隊列長度受限，用以保證生產者與消費者的速度不會相差太遠，避免內存耗盡。隊列長度設定後不可改變。當入隊時隊列已滿，或出隊時隊列已空，不一樣函數的效果見下表：


ArrayBlockingQueue

定長的併發優化的BlockingQueue，基於循環數組實現。有一把公共的讀寫鎖與notFull、notEmpty兩個Condition管理隊列滿或空時的阻塞狀態。

LinkedBlockingQueue/LinkedBlockingDeque

可選定長的併發優化的BlockingQueue，基於鏈表實現，因此能夠把長度設爲Integer.MAX_VALUE。利用鏈表的特徵，分離了takeLock與putLock兩把鎖，繼續用notEmpty、notFull管理隊列滿或空時的阻塞狀態。

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