Java集合

1. Java集合類主要由兩個接口派生而出：Collection和Map

   從上面的集合框架圖能夠看到，Java集合框架主要包括兩種類型的容器，一種是集合（Collection），存儲一個元素集合，另外一種是圖（Map），存儲鍵/值對映射。Collection接口又有3種子類型，List、Set和Queue，再下面是一些抽象類，最後是具體實現類，經常使用的有ArrayList、LinkedList、HashSet、LinkedHashSet、HashMap、LinkedHashMap等等。

• Collection接口是處理對象集合的根接口，其中定義了不少對元素進行操做的方法，AbstractCollection是提供Collection部分實現的抽象類。
• List

List接口擴展自Collection，它能夠定義一個容許重複的有序集合，從List接口中的方法來看，List接口主要是增長了面向位置的操做，容許在指定位置上操做元素，同時增長了一個可以雙向遍歷線性表的新列表迭代器ListIterator。AbstractList類提供了List接口的部分實現，AbstractSequentialList擴展自AbstractList，主要是提供對鏈表的支持。下面介紹List接口的兩個重要的具體實現類，也是咱們可能最經常使用的類，ArrayList和LinkedList。

• ArrayList

1. ArrayList是List接口的可變數組的實現。底層使用數組保存全部元素。其操做基本上是

對數組的操做

1. 實現了全部可選列表操做，並容許包括 null 在內的全部元素。
2. 除了實現 List接口外，此類還提供一些方法來操做內部用來存儲列表的數組的大小。
3. 每一個ArrayList實例都有一個容量，該容量是指用來存儲列表元素的數組的大小。

它老是至少等於列表的大小。

1. 隨着向ArrayList中不斷添加元素，其容量也自動增加。自動增加會帶來數據向新數組的

從新拷貝，所以，若是可預知數據量的多少，可在構造ArrayList時指定其容量。

注意：

1. 當增長數據的時候，若是ArrayList的大小已經不知足需求時，那麼就將數組變爲原長度的1.5倍，以後的操做就是把老的數組拷到新的數組裏面。

• LinkList

List 接口的連接列表實現。實現全部可選的列表操做，而且容許全部元素（包括 null）。除了實現 List 接口外，LinkedList 類還爲在列表的開頭及結尾 get、remove 和 insert 元素提供了統一的命名方法。這些操做容許將連接列表用做堆棧、隊列或雙端隊列。

此類實現 Deque 接口，爲 add、poll 提供先進先出隊列操做，以及其餘堆棧和雙端隊列操做。

LinkList的實現原理總結

1. 數據存儲是基於雙向鏈表實現的。

1. ②插入數據很快。先是在雙向鏈表中找到要插入節點的位置index，找到以後，再插入一個新節點。 雙向鏈表查找index位置的節點時，有一個加速動做：若index < 雙向鏈表長度的1/2，則從前向後查找; 不然，從後向前查找。

   ③刪除數據很快。先是在雙向鏈表中找到要插入節點的位置index，找到以後，進行以下操做：node.previous.next = node.next;node.next.previous = node.previous;node = null 。查找節點過程和插入同樣。

   1. 獲取數據很慢，須要從Head節點進行查找。
2. ⑤遍歷數據很慢，每次獲取數據都須要從頭開始。

   注：

   1. 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。

    

• Set

Set接口擴展自Collection，它與List的不一樣之處在於，規定Set的實例不包含重複的元素。在一個規則集內，必定不存在兩個相等的元素。AbstractSet是一個實現Set接口的抽象類，Set接口有三個具體實現類，分別是散列集HashSet、鏈式散列集LinkedHashSet和樹形集TreeSet。

 

• HashSet

HashSet實現Set接口，由哈希表（其實是一個HashMap實例）支持。它不保證set 的迭代順序；特別是它不保證該順序恆久不變。此類容許使用null元素。HashSet中不容許有重複元素，這是由於HashSet是基於HashMap實現的，HashSet中的元素都存放在HashMap的key上面，而value中的值都是統一的一個private static final Object PRESENT = new Object();。HashSet跟HashMap同樣，都是一個存放鏈表的數組。

HashSet是基於HashMap來實現的，操做很簡單，更像是對HashMap作了一次"封裝"，並且只使用了HashMap的key來實現各類特性

HashSet的實現原理總結以下：

①是基於HashMap實現的，默認構造函數是構建一個初始容量爲16，負載因子爲0.75 的HashMap。封裝了一個 HashMap 對象來存儲全部的集合元素，全部放入 HashSet 中的集合元素實際上由 HashMap 的 key 來保存，而 HashMap 的 value 則存儲了一個 PRESENT，它是一個靜態的 Object 對象。

②當咱們試圖把某個類的對象當成 HashMap的 key，或試圖將這個類的對象放入 HashSet 中保存時，重寫該類的equals(Object obj)方法和 hashCode() 方法很重要，並且這兩個方法的返回值必須保持一致：當該類的兩個的 hashCode() 返回值相同時，它們經過 equals() 方法比較也應該返回 true。一般來講，全部參與計算 hashCode() 返回值的關鍵屬性，都應該用於做爲 equals() 比較的標準。

③HashSet的其餘操做都是基於HashMap的。

 

• LinkedHashSet

LinkedHashSet經過繼承HashSet，底層使用LinkedHashMap，以很簡單明瞭的方式來實現了其自身的全部功能。

 

• TreeSet

TreeSet 是一個有序的集合，它的做用是提供有序的Set集合。它繼承於AbstractSet抽象類，實現了NavigableSet<E>, Cloneable, java.io.Serializable接口。

*TreeSet 繼承於AbstractSet，因此它是一個Set集合，具備Set的屬性和方法。

*TreeSet 實現了NavigableSet接口，意味着它支持一系列的導航方法。好比查找與指定目標最匹配項。

*TreeSet 實現了Cloneable接口，意味着它能被克隆。

*TreeSet 實現了java.io.Serializable接口，意味着它支持序列化。

*reeSet是基於TreeMap實現的。TreeSet中的元素支持2種排序方式：天然排序 或者 根據建立TreeSet 時提供的 Comparator 進行排序。這取決於使用的構造方法。

*reeSet爲基本操做（add、remove 和 contains）提供受保證的 log(n) 時間開銷。

* reeSet是非同步的。 它的iterator 方法返回的迭代器是fail-fast的。

 

• Queue

隊列是一種先進先出的數據結構，元素在隊列末尾添加，在隊列頭部刪除。Queue接口擴展自Collection，並提供插入、提取、檢驗等操做。

poll()與remove()方法都是移除隊列頭部的元素，二者的區別在於若是隊列爲空，那麼poll()返回的是null，而remove()會拋出一個異常。方法element()與peek()主要是獲取頭部元素，不刪除。

接口Deque，是一個擴展自Queue的雙端隊列，它支持在兩端插入和刪除元素，由於LinkedList類實現了Deque接口，因此一般咱們可使用LinkedList來建立一個隊列。PriorityQueue類實現了一個優先隊列，優先隊列中元素被賦予優先級，擁有高優先級的先被刪除。實際上有多個Queue的實現，有的是採用線性表實現，有的基於鏈表實現。還有的適用於多線程的環境。Java中具備Queue功能的類主要有以下幾個：AbstractQueue, ArrayBlockingQueue, ConcurrentLinkedQueue, LinkedBlockingQueue, DelayQueue, LinkedList, PriorityBlockingQueue, PriorityQueue和ArrayDqueue。

 

• Map

是一種存儲鍵值對映射的容器類，在Map中鍵能夠是任意類型的對象，但不能有重複的鍵，每一個鍵都對應一個值，真正存儲在圖中的是鍵值構成的條目。從上面這張圖中咱們能夠看到接口Map提供了不少查詢、更新和獲取存儲的鍵值對的方法，更新包括方法clear()、put()、putAll()、remove()等等，查詢方法包括containsKey、containsValue等等。Map接口經常使用的有三個具體實現類，分別是HashMap、LinkedHashMap、TreeMap。

在實際使用中，若是更新圖時不須要保持圖中元素的順序，就使用HashMap，若是須要保持圖中元素的插入順序或者訪問順序，就使用LinkedHashMap，若是須要使圖按照鍵值排序，就使用TreeMap。

 

• HashMap

HashMap實現了Map接口，繼承子AbstractMap。其中，Map接口定義了鍵映射到值的

規則。Java中HashMap是由數組和引用實現的"鏈表散列"。HashMap底層實現是數組，可是數組的每一項都是一個鏈表，其中initialCapacity就表明了數組的長度。Entry爲HashMap的內部類，它包含了鍵key、值value、下一個節點next，以及hash值。這個內部類很是重要，正是因爲Entry才構成table數組的項爲鏈表。

初始化HashMap時，系統會建立一個長度爲capacity的Entry數組，這個數組裏能夠存儲元素的位置被稱爲"桶（bucket）" 每一個 bucket 都有其指定索引，系統能夠根據其索引快速訪問該 bucket 裏存儲的元素。不管什麼時候，HashMap 的每一個"桶"只存儲一個元素（也就是一個 Entry），因爲 Entry 對象能夠包含一個引用變量（就是 Entry 構造器的的最後一個參數）用於指向下一個 Entry，所以可能出現的狀況是：HashMap 的 bucket 中只有一個 Entry，但這個 Entry 指向另外一個 Entry ——這就造成了一個 Entry 鏈。

數組中存儲的是一個鏈表的頭結點

threshold: 初始容量，表示哈希表中桶的數量。

loadFactor：負載因子，表示當前哈希表的最大填滿比例。當threshold * loadFactor < 當前哈希表中桶數目時，哈希表的threshold須要擴大爲當前的2倍。

• HashMap的使用場景：當須要存儲鍵值對時須要使用HashMap，它能夠接收key爲null

的鍵值對，可是是非線程同步的。

• HashMap的工做原理：

HashMap底層是數組實現的，數組的每一個元素是鏈表，由Entry內部類實現。HashMap經過put方法存儲對象，經過get方法獲取對象。

put存儲對象時，咱們將K/V鍵值對傳給put方法，它首先調用hash方法計算K的hash值，取餘HashMap數組長度後獲取該鍵值對所在鏈表的數組下標，進一步存儲時，會適當調整數組大小，而且採用頭插法將Entry鍵值對插入到鏈表中。

步驟：1)對key的hashCode()作hash，而後再計算index;

2)若是沒碰撞直接放到bucket裏；

3)若是碰撞了，以鏈表的形式存在buckets後；

4)若是碰撞致使鏈表過長(大於等於TREEIFY_THRESHOLD)，就把鏈表轉換成紅黑樹；

5)若是節點已經存在就替換old value(保證key的惟一性)

6)若是bucket滿了(超過load factor*current capacity)，就要resize。

獲取對象時，咱們將K傳給get方法，也是先調用hash方法計算hash值獲取數組中所在鏈表的下標。而後，順序遍歷鏈表，查找相同Entry的key的value值。

 

• LinkedHashMap

LinkedHashMap繼承自HashMap，它主要是用鏈表實現來擴展HashMap類，HashMap中條目是沒有順序的，可是LinkedHashMap經過維護一個運行於全部條目的雙向鏈表，LinkedHashMap保證了元素迭代的順序,LinkedHashMap中元素既能夠按照它們插入map的順序排序，也能夠按它們最後一次被訪問的順序排序。 對於LinkedHashMap而言，它繼承與HashMap、底層使用哈希表與雙向鏈表來保存全部元素。其基本操做與父類HashMap類似，它經過重寫父類相關的方法，來實現本身的連接列表特性。

關  注  點	結      論
LinkedHashMap是否容許空	Key和Value都容許空
LinkedHashMap是否容許重複數據	Key重複會覆蓋、Value容許重複
LinkedHashMap是否有序	有序（指插入順序等）
LinkedHashMap是否線程安全	非線程安全

注：

1. LinkedHashMap能夠認爲是HashMap+LinkedList，即它既使用HashMap操做數據結構，又使用LinkedList維護插入元素的前後順序。

 

• TreeMap

TreeMap基於紅黑樹數據結構的實現，鍵值可使用Comparable或Comparator接口來排序。TreeMap繼承自AbstractMap，同時實現了接口NavigableMap，而接口NavigableMap則繼承自SortedMap。SortedMap是Map的子接口，使用它能夠確保圖中的條目是排好序的。

映射根據其鍵的天然順序進行排序，或者根據建立映射時提供的 Comparator 進行排序，具體取決於使用的構造方法。TreeMap的基本操做containsKey、get、put、remove方法，它的時間複雜度是log（n）

TreeMap本質是Red-Black Tree，它包含幾個重要的成員變量：root、size、comparator。其中root是紅黑樹的根節點。它是Entry類型，Entry是紅黑樹的節點，它包含了紅黑樹的6個基本組成：key、value、left、right、parent和color。Entry節點根據根據Key排序，包含的內容是value。Entry中key比較大小是根據比較器comparator來進行判斷的。size是紅黑樹的節點個數。

 

• 其餘集合類
• Vector

Vector 是矢量隊列。和ArrayList不一樣，Vector中的操做是線程安全的。由於Vector底層是使用數組實現的，因此它的操做都是對數組進行操做，只不過其是能夠隨着元素的增長而動態的改變容量大小，其實現方法是是使用Arrays.copyOf方法將舊數據拷貝到一個新的大容量數組中。

1) vector能夠實現可增加的對象數組。與數組同樣，它包含可使用整數索引進行訪問的組件。不過，Vector的大小是能夠增長或者減少的，以便適應建立Vector後進行添加或者刪除操做。

2)Vector實現List接口，繼承AbstractList類，因此咱們能夠將其看作隊列，支持相關的添加、刪除、修改、遍歷等功能。

3)Vector實現RandmoAccess接口，即提供了隨機訪問功能，提供提供快速訪問功能。在Vector咱們能夠直接訪問元素。

4)Vector 實現了Cloneable接口，支持clone()方法，能夠被克隆。

 

• ConcurrentHashMap

前提：HashMap中未進行同步考慮，而Hashtable則使用了synchronized，帶來的直接影響就是可選擇，咱們能夠在單線程時使用HashMap提升效率，而多線程時用Hashtable來保證安全。經過分析Hashtable就知道，synchronized是針對整張Hash表的，即每次鎖住整張表讓線程獨佔，安全的背後是巨大的浪費。

左邊即是Hashtable的實現方式---鎖整個hash表；而右邊則是ConcurrentHashMap的實現方式---鎖桶（或段）。ConcurrentHashMap將hash表分爲16個桶（默認值），諸如get,put,remove等經常使用操做只鎖當前須要用到的桶。

ConcurrentHashMap只有在求size等操做時才須要鎖定整個表。而在迭代時，ConcurrentHashMap使用了不一樣於傳統集合的快速失敗迭代器的另外一種迭代方式，咱們稱爲弱一致迭代器。在這種迭代方式中，當iterator被建立後集合再發生改變就再也不是拋出ConcurrentModificationException，取而代之的是在改變時new新的數據從而不影響原有的數據，iterator完成後再將頭指針替換爲新的數據，這樣iterator線程可使用原來老的數據，而寫線程也能夠併發的完成改變，更重要的，這保證了多個線程併發執行的連續性和擴展性，是性能提高的關鍵。

ConcurrentHashMap中主要實體類就是三個：

1)    ConcurrentHashMap（整個Hash表）；

2)    Segment（桶）；

3)    HashEntry（節點）

ConcurrentHashMap容許多個修改操做併發進行，其關鍵在於使用了鎖分離技術。它使用了多個鎖來控制對hash表的不一樣部分進行的修改。ConcurrentHashMap內部使用段(Segment)來表示這些不一樣的部分，每一個段其實就是一個小的hash table，它們有本身的鎖。只要多個修改操做發生在不一樣的段上，它們就能夠併發進行。

 

• CopyOnWriteArrayList

CopyOnWriteArrayList，是一個線程安全的List接口的實現，它使用了ReentrantLock鎖來保證在併發狀況下提供高性能的併發讀取。

Copy-On-Write簡稱COW，是一種用於程序設計中的優化策略。其基本思路是，從一開始你們都在共享同一個內容，當某我的想要修改這個內容的時候，纔會真正把內容Copy出去造成一個新的內容而後再改，這是一種延時懶惰策略。

CopyOnWrite容器即寫時複製的容器。通俗的理解是當咱們往一個容器添加元素的時候，不直接往當前容器添加，而是先將當前容器進行Copy，複製出一個新的容器，而後新的容器裏添加元素，添加完元素以後，再將原容器的引用指向新的容器。這樣作的好處是咱們能夠對CopyOnWrite容器進行併發的讀，而不須要加鎖，由於當前容器不會添加任何元素。因此CopyOnWrite容器也是一種讀寫分離的思想，讀和寫不一樣的容器。

CopyOnWriteArrayList中add方法的實現（向CopyOnWriteArrayList裏添加元素），能夠發如今添加的時候是須要加鎖的，不然多線程寫的時候會Copy出N個副本出來。

讀的時候不須要加鎖，若是讀的時候有多個線程正在向CopyOnWriteArrayList添加數據，讀仍是會讀到舊的數據，由於寫的時候不會鎖住舊的CopyOnWriteArrayList。

缺點：

1. 內存佔用問題。由於CopyOnWrite的寫時複製機制，因此在進行寫操做的時候，內存裏會同時駐紮兩個對象的內存，舊的對象和新寫入的對象（注意:在複製的時候只是複製容器裏的引用，只是在寫的時候會建立新對象添加到新容器裏，而舊容器的對象還在使用，因此有兩份對象內存）。
2. 數據一致性問題。CopyOnWrite容器只能保證數據的最終一致性，不能保證數據的實時一致性。因此若是你但願寫入的的數據，立刻能讀到，請不要使用CopyOnWrite容器。