Java常用集合基础概念及源码流程分析

java集合

学习资源：b站 人人都是程序员 《看动画学java集合》
b站 韩顺平 《java集合》 感谢二位的开源视频，本博客为个人笔记，如有错误还请包涵
学习方法：推荐观看视频，自己用idea敲一遍然后debug一步步看，最后自己写笔记和画流程图。
前 言

• 目的：为了方便和高效地存储大批量的数据，变量和数组是远远不够的，我们需要能动态扩容的容器来存储。
  
• java的集合
  
  
• 键值对
  
  

Collection

• 分类
  
  
• Collecion工具类
  
  
  
  • 排序方法
    
    
  • 查找替换
    
    
  
  
• 迭代器Iterator
  
  
  
  • 所有的集合都实现了迭代器Iterable接口，迭代器是遍历集合的元素，并且返回。
    
  • 实现：1. 先新建迭代器 2. 调用hashnext方法 3. 调用next方法
    
  • 增强型for循环的底层实现也是迭代器
    
  
  

Collection

Set

• HashSet,由HashMap实现
  
  
  • 无序，存取顺序不一致，其他特点与HashMap一致
    
  • 区别，HashMap是以key-value存放，而HashSet则是把key当value用，而value则由统一的值代替。
    
  • 添加元素时，如果在同一个下标处有别的值，则用equals进行比较，如果相同则放弃添加，不同则添加到后面。
    
  • add方法初次添加，源码及流程分析
    
    
  • add方法再次添加流程
    
    
  
  

• LinkedHashMap，继承自HashSet，但是由LinkedHashMap实现及数组+双向链表，因此具有LinkedHashMap的特点
  
  
  
  • 有序，由双向链表维护添加顺序，即存取顺序一致
    
  • 其他特点与LinkedHashMap相同，key唯一，key可为null
    
  • 区别：
    
    
  • LinkedHashMap数组存放的节点为LinkedEntry，$表示内部类。
    
    
    
    
  
  
• TreeSet
  
  
  
  • 无序，存取顺序不一致，其他特点于TreeMap相同
    
  • 实现了NavigableSet和SortedSet接口，可以使用Comparator的compareTo方法进行排序
    
  • HashSet，LinkedHashSet，TreeSet的区别：
    HashSet，添加查询快性能优于后两者。LinkedHashSet添加修改删除快，有序
    TreeSet只有在需要对元素进行排序时使用
    
  
  

Map

• Map的遍历
  
  
  
  • 基于EntrySet机制，可以分别拿到所有单独的Key或所有Value，以及k-v。
    1. Hashmap map = new HashMap();
    2. Set entrySet = map.entrySet();
    3. Collection values = map.values();
    4. Set keySet = map.keySet();
    5. //example
    6. for(Object key : keySet) {
    7.     System.out.println(key);
    8. }

    复制代码
  • 可以使用增强for/迭代器Iterator来遍历指定的集合（keyset，values，entryset）
    
  
  
• HashMap，基于数组与链表（JDK1.7）/链表+红黑树（JDK1.8）实现，初始容量16，增删改查快
  
  
  
  • 无序，key可以为null但只能有一个，并且hash值为0，key不可以重复，value可以重复，以键值对的形式存储，会被封装到HashMap$Node中。元素的下标由数据的hash值&（数组容量-1）得到，因此存放的顺序是无序的。如果有重复的值则会覆盖。
    
    
  • Map接口的特点：key-value会以Node类型存放，但是为了方便遍历会创建EntrySet集合，该集合存放的类型为Entry，即 transient Set entrySet;   然而entrySet中定义的类型是Map.Entry，但实际上存放的仍是Node，因为Node实现了Entry接口，之所以能够存放进EntrySet中是此处是做了向下转型的操作。并且数据只会存放一份在Node中，EntrySet存放的是引用。（先看图再看文字）
    
    
  • 哈希冲突，当同一个下标有多个数据时，会以链表的形式存放数据
    
    
    
    • 树（红黑树）化,当链表长度大于8且数组容量大于64时，链表会转化为红黑树（自平衡二叉树），以此提高查询速度，新增数据时需要计算节点的位置
      
      
    • 链化，当红黑树中的节点小等于6时，树将转化为链表，因为此时节点数很少，用红黑树查询的速度不比链表快。并且在新增元素的适合，链表不需要计算节点的位置，可以直接插入队尾。
      
    
    
  • 扩容，当元素个数超过临界值时就需要扩容，临界值 = 容量 * 负载因子（默认0.75），扩容后的容量是之前的两倍
    
    
  
  
• LinkedHashMap,继承自HashMap，用双向链表解决了HashMap无序的问题。
  
  
  
  • 有序，key唯一，key可为null
    
  • 维护的元素排序顺序：默认维护添加顺序
    
    
    
    • 添加顺序，元素添加和取出的顺序一致，头节点为第一个元素，尾节点为最后一个元素
      
      
    • 访问顺序，用get访问某元素，则该元素为尾节点，该元素的next节点为头节点
      
      
    
    
  
  
• TreeMap，基于红黑树实现的Map。
  
  
  
  • 无序并会对key排序，key唯一，key不可以为null，因为红黑树是自平衡二叉树，会先比较，而null不能比较，会抛出NullPointerException。
    
  • 可以自定义的比较器来排序，put流程源码如下图
    1. TreeMap<Object, Object> treeMap = new TreeMap<>(new Comparator<Object>() {
    2.     @Override
    3.     public int compare(Object o1, Object o2) {
    4.     return ((String)o1).length() - ((String)o2).length();
    5.     }
    6. });
    7. treeMap.put("aa","aa");
    8. treeMap.put("1213","3");
    9. treeMap.put("z","aa");

    复制代码
  
  

• 红黑树的特点，在插入时依次先比较，然后再根据规则左右旋。
  
  
• Hashtable，继承Dictionary 实现了Map
  
  
  
  • 初始化大小是11，负载因子为0.75，扩容按自己的机制来
    
  • Key和Value都不能为null，否则会抛出空指针异常
    
  • 是线程安全的，hashMap是线程不安全的
    
  
  
• Properties，继承自Hashtable，实现了Map接口，也是K-V形式
  
  
  
  • 通常用于配置文件
    
  
  

List

• ArraysList，基于数组实现，默认容量为10，扩容时会先创建一个原始1.5倍的数组，然后再把元素复制过去。特点：
  
  
  
  • 有序，可存重复元素，可存null
    
  • 查询快，增删慢，适合查询较多的场景
    
  • 如果使用无参构造器，则初始elementData容量为0，第一次添加时则扩容为10，如需再次扩容，则扩容1.5倍
    
  • 如果使用指定大小的构造器，则初始elementData为指定大小，扩容仍为1.5倍。
    
  add方法，扩容机制，源码和流程分析
  1. public static void main(String[] args) {
  2.         ArrayList<Object> list = new ArrayList<>();
  4.         for (int i = 0; i < 10; i++) {
  5.             list.add(i);
  6.         }
  7.         list.add(11);
  8.         list.add(12);
  9.     }

  复制代码

  创建ArrayList，循环添加元素，因为初始容量为10，当添加11时会扩容，观察源码执行情况。
  

  
  
  • 先进入int的自动装箱
    
    
  • 进入add方法，注意此时的size为0
    
    
  • 调用ensureCapacityInternal方法，这里分为了三步计算容量
    
    
  • 计算容量，返回minCapacity，初始值为10
    
    
  • modCount标记修改次数，在需要考虑线程安全时起作用，if判断当前容量是否进行扩容
    
    
  • 调用Grow方法，第一个if保证初次扩容时，容量为10，扩容后返回
    
    
  • 添加成功
    
    
  
  
• LinkedList，基于双向链表实现，增加则直接在尾部插入
  
  
  
  • 有序，可存重复元素，可存null
    
  • 查询慢，增删快，适合增删较多的场景
    
  • 和ArraysList相比需要记录前后节点，所以内存消耗比ArraysList大
    
  
  
• Vector，线程安全的，效率不高，无参构造默认是10，2倍扩容
  
  

fail-fast快速失败机制

• 为了避免多个线程对同一容器并发修改时造成的数据异常。
  
• 实现机制：在容器类种定义一个modCount属性，记录容器修改的次数，当容器有添加或删除的操作modCount就++，在迭代的时候比较，如果不相同说明有多个线程同时修改，则抛出ConcurrentModificationException异常。
  
• 采用线程安全的容器即可避免并发的问题。
  线程不安全线程安全ArrayListCopyOnWriteArrayListHashMapConcurrentHashMapHashSetCopyOnWriteArraySet
  
• 线程安全容器ConcurrentHashMap
  
  
  
  • 同步，仅对头节点加锁，因此并发度为数组容量
    
  • 统计元素个数，为了解决线程安全问题，使用CAS（compare and swap）算法，同一时刻只允许一个线程更新个数，其余线程更新失败，失败的线程再循环更新直到成功为止，但这样效率也很低，因此让更新失败的线程先把值累加到数组中。最后的个数由baseCount和CounterCell数组累加
    
  • 多线程协同扩容，每个线程负责一段步长的数据迁移。
    
  • key，value不为null，避免出现不知道是拿出来value为null还是key根本不存在。
    
  • 只针对位置加锁
    
  
  

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