Java容器有哪些？哪些是同步容器,哪些是并发容器？

一、基本概念

Java容器类类库的用途是“持有对象”，并将其划分为两个不同的概念：

• Collection：一个独立元素的序列，这些元素都服从一条或者多条规则。 List必须按照插入的顺序保存元素，而set不能有重复的元素。Queue按照排队规则来确定对象产生的顺序（通常与它们被插入的顺序相同）。
• Map：一组成对的“键值对”对象，允许你使用键来查找值。

注：
1、java.util.Collection是一个集合接口。
它提供了对集合对象进行基本操作的通用接口方法。Collection接口在Java类库中有很多具体的实现。Collection接口的意义是为各种具体的集合提供了最大化的统一操作方式。

2、java.util.Collections是一个包装类。
它包含有各种有关集合操作的静态多态方法。此类不能实例化，就像一个工具类，服务于Java的Collection框架。

容器集

|Collection
|　　├List
|　　│-├LinkedList
|　　│-├ArrayList
|　　│-└Vector
|　　│　└Stack
|　　├Set
|　　│├HashSet
|　　│├TreeSet
|　　│└LinkedSet
|
|Map
　　├Hashtable
　　├HashMap
　　└WeakHashMap

同步容器

• Vector
• Stack
• HashTable
• Collections.synchronized方法生成

并发容器

• ConcurrentHashMap：线程安全的HashMap的实现
• CopyOnWriteArrayList：线程安全且在读操作时无锁的ArrayList
• CopyOnWriteArraySet：基于CopyOnWriteArrayList，不添加重复元素
• ArrayBlockingQueue：基于数组、先进先出、线程安全，可实现指定时间的阻塞读写，并且容量可以限制
• LinkedBlockingQueue：基于链表实现，读写各用一把锁，在高并发读写操作都多的情况下，性能优于ArrayBlockingQueue

二、Collection集合接口

Collection是最基本的集合接口，一个Collection代表一组Object，即Collection的元素（Elements）。一些Collection允许相同的元素而另一些不行。一些能排序而另一些不行。JavaSDK不提供直接继承自Collection的类，JavaSDK提供的类都是继承自Collection的“子接口”如List和Set。

主要方法:
boolean add(Object o)添加对象到集合
boolean remove(Object o)删除指定的对象
int size()返回当前集合中元素的数量
boolean contains(Object o)查找集合中是否有指定的对象
boolean isEmpty()判断集合是否为空
Iterator iterator()返回一个迭代器
boolean containsAll(Collection c)查找集合中是否有集合c中的元素
boolean addAll(Collection c)将集合c中所有的元素添加给该集合
void clear()删除集合中所有元素
void removeAll(Collection c)从集合中删除c集合中也有的元素
void retainAll(Collection c)从集合中删除集合c中不包含的元素

List接口

List是有序的Collection，使用此接口能够精确的控制每个元素插入的位置。用户能够使用索引（元素在List中的位置，类似于数组下标）来访问List中的元素，这类似于Java的数组。
　　 实现List接口的常用类有LinkedList，ArrayList，Vector和Stack。

LinkedList类

LinkedList实现了List接口，允许null元素。此外LinkedList提供额外的get，remove，insert方法在LinkedList的首部或尾部。这些操作使LinkedList可被用作堆栈（stack），队列（queue）或双向队列（deque）。
　　 注意:LinkedList是非同步的。如果多个线程同时访问一个List，则必须自己实现访问同步。一种解决方法是在创建List时构造一个同步的List：

List list = Collections.synchronizedList(new LinkedList(…));

ArrayList类

ArrayList实现了可变大小的数组。它允许所有元素，包括null。ArrayList没有同步。size，isEmpty，get，set方法运行时间为常数。但是add方法开销为分摊的常数，添加n个元素需要O(n)的时间。其他的方法运行时间为线性。每个ArrayList实例都有一个容量（Capacity），即用于存储元素的数组的大小。这个容量可随着不断添加新元素而自动增加，但是增长算法并没有定义。当需要插入大量元素时，在插入前可以调用ensureCapacity方法来增加ArrayList的容量以提高插入效率。
　　 和LinkedList一样，ArrayList也是非同步的（unsynchronized）。一般情况下使用这两个就可以了，因为非同步，所以效率比较高。
　　 如果涉及到堆栈，队列等操作，应该考虑用List，对于需要快速插入，删除元素，应该使用LinkedList，如果需要快速随机访问元素，应该使用ArrayList。

Vector类

Vector非常类似ArrayList，但是Vector是同步的。由Vector创建的Iterator，虽然和ArrayList创建的Iterator是同一接口，但是，因为Vector是同步的，当一个Iterator被创建而且正在被使用，另一个线程改变了Vector的状态（例如，添加或删除了一些元素），这时调用Iterator的方法时将抛出ConcurrentModificationException，因此必须捕获该 异常。
　　vector的使用主要有如下两种场景：
（1）vector所谓的多线程安全，只是针对单纯地调用某个方法它是有同步机制的。如add，多个线程都在对同一个容器add元素，vector能够保证最后总数是正确的，而ArrayList没有同步机制，就无法保证。
（2）vector的多线程安全，在组合操作时不是线程安全的。比如一个线程先调用vector的size方法得到有10个元素，再调用get(9)方法获取最后一个元素，而另一个线程调用remove(9)方法正好删除了这个元素，那第一个线程就会抛越界异常。
总结：
（1）在需要对容器进行组合操作时，vector不适用（需要自己用synchronized将组合操作进行同步）；
（2）仅在上述第一种场景时，才需要使用vector

public class TestMultiThread {
	private static Vector vec = new Vector();
	private static List lst = new ArrayList();
	public void f() {
		TestThread testThread1 = new TestThread();
		TestThread testThread2 = new TestThread();
		Thread thread1 = new Thread(testThread1);
		Thread thread2 = new Thread(testThread2);
		thread1.start();
		thread2.start();
		}	
	public static void main(String[] args) {
		TestMultiThread testMultiThread = new TestMultiThread();
		testMultiThread.f();
		try {
			Thread.sleep(5000);
		} catch (InterruptedException e) {
			e.printStackTrace();
		}
		System.out.println("vec size is " + vec.size());
		System.out.println("lst size is " + lst.size());
	}
	private class TestThread implements Runnable {
		@Override
		public void run() {
			for (int i = 0; i < 1000; ++i) {
				vec.add(i);
				lst.add(i);
			}	
		}		
	}
	private static Vector vec = new Vector();
	private static List lst = new ArrayList();
	public void f() {
		    TestThread testThread1 = new TestThread();
		    TestThread testThread2 = new TestThread();
		    Thread thread1 = new Thread(testThread1);
		    Thread thread2 = new Thread(testThread2);
		    thread1.start();
		    thread2.start();
	} 
}  

如上程序运行结果：

vec size is 2000
lst size is 1999

Stack类

Stack继承自Vector，实现一个后进先出的堆栈。Stack提供5个额外的方法使得Vector得以被当作堆栈使用。基本的push和pop方法，还有
peek方法得到栈顶的元素，empty方法测试堆栈是否为空，search方法检测一个元素在堆栈中的位置。Stack刚创建后是空栈。

Set接口

Set是一种不包含重复的元素的Collection，即任意的两个元素e1和e2都有e1.equals(e2)=false，Set最多有一个null元素。Set的构造函数有一个约束条件，传入的Collection参数不能包含重复的元素。
　　Set容器类主要有HashSet和TreeSet等。

HashSet类

Java.util.HashSet类实现了Java.util.Set接口。

• 它不允许出现重复元素；
• 不保证集合中元素的顺序
• 允许包含值为null的元素，但最多只能有一个null元素。

public class TestHashSet
{
  public static void main(String [] args)
  {
     HashSet h=new HashSet();
     h.add("1st");
     h.add("2nd");
     h.add(new Integer(3));
     h.add(new Double(4.0));
     h.add("2nd");            //重复元素，未被添加
     h.add(new Integer(3));      //重复元素，未被添加
     h.add(new Date());
     System.out.println("开始：size="+h.size());
     Iterator it=h.iterator();
     while(it.hasNext())
     {
         Object o=it.next();
         System.out.println(o);
     }

     h.remove("2nd");
     System.out.println("移除元素后：size="+h.size());
     System.out.println(h);
  }
}

TreeSet

TreeSet描述的是Set的一种变体——可以实现排序等功能的集合，它在讲对象元素添加到集合中时会自动按照某种比较规则将其插入到有序的对象序列中，并保证该集合元素组成的读优先序列时刻按照“升序”排列。

public class TestTreeSet
{
    public static void main(String [] args)
    {
       TreeSet ts=new TreeSet();
       ts.add("orange");
       ts.add("apple");
       ts.add("banana");
       ts.add("grape");
        Iterator it=ts.iterator();
       while(it.hasNext())
       {
           String fruit=(String)it.next();
           System.out.println(fruit);
       }
    }
}

三、Map集合接口

Map没有继承Collection接口，Map提供key到value的映射。一个Map中不能包含相同的key，每个key只能映射一个value。Map接口提供3种集合的视图，Map的内容可以被当作一组key集合，一组value集合，或者一组key-value映射。
主要方法:
boolean equals(Object o)比较对象
boolean remove(Object o)删除一个对象
put(Object key,Object value)添加key和value

Hashtable类

Hashtable继承Map接口，实现一个key-value映射的哈希表。任何非空（non-null）的对象都可作为key或者value。添加数据使用put(key,value)，取出数据使用get(key)，这两个基本操作的时间开销为常数。Hashtable通过initialcapacity和load factor两个参数调整性能。通常缺省的load factor0.75较好地实现了时间和空间的均衡。增大loadfactor可以节省空间但相应的查找时间将增大，这会影响像get和put这样的操作。
　　由于作为key的对象将通过计算其散列函数来确定与之对应的value的位置，因此任何作为key的对象都必须实现hashCode和equals方法。hashCode和equals方法继承自根类Object，如果你用自定义的类当作key的话，要相当小心，按照散列函数的定义，如果两个对象相同，即obj1.equals(obj2)=true，则它们的hashCode必须相同，但如果两个对象不同，则它们的hashCode不一定不同，如果两个不同对象的hashCode相同，这种现象称为冲突，冲突会导致操作哈希表的时间开销增大，所以尽量定义好的hashCode()方法，能加快哈希表的操作。
　　如果相同的对象有不同的hashCode，对哈希表的操作会出现意想不到的结果（期待的get方法返回null），要避免这种问题，只需要牢记一条：要同时复写equals方法和hashCode方法，而不要只写其中一个。

HashMap类

HashMap和Hashtable类似，不同之处在于HashMap是非同步的，并且允许null，即null value和null key，但是将HashMap视为Collection时（values()方法可返回Collection），其迭代子操作时间开销和HashMap的容量成比例。因此，如果迭代操作的性能相当重要的话，不要将HashMap的初始化容量设得过高，或者loadfactor过低。

• JDK1.0引入了第一个关联的集合类HashTable，它是线程安全的。 HashTable的所有方法都是同步的。
• JDK2.0引入了HashMap，它提供了一个不同步的基类和一个同步的包装器synchronizedMap。synchronizedMap被称为有条件的线程安全类。
• JDK5.0util.concurrent包中引入对Map线程安全的实现ConcurrentHashMap，比起synchronizedMap，它提供了更高的灵活性。同时进行的读和写操作都可以并发地。

HashTable和HashMap区别

• 第一、继承不同。
  　　public class Hashtable extends Dictionary implements Map
  　　public class HashMap extends AbstractMap implements Map
• 第二、Hashtable 中的方法是同步的，而HashMap中的方法在缺省情况下是非同步的。在多线程并发的环境下，可以直接使用Hashtable，但是要使用HashMap的话就要自己增加同步处理了。
• 第三、Hashtable中，key和value都不允许出现null值。在HashMap中，null可以作为键，这样的键只有一个；可以有一个或多个键所对应的值为null。当get()方法返回null值时，即可以表示 HashMap中没有该键，也可以表示该键所对应的值为null。因此，在HashMap中不能由get()方法来判断HashMap中是否存在某个键， 而应该用containsKey()方法来判断。
• 第四、两个遍历方式的内部实现上不同。Hashtable、HashMap都使用了 Iterator。而由于历史原因，Hashtable还使用了Enumeration的方式 。
• 第五、哈希值的使用不同，HashTable直接使用对象的hashCode。而HashMap重新计算hash值。
• 第六、Hashtable和HashMap它们两个内部实现方式的数组的初始大小和扩容的方式。HashTable中hash数组默认大小是11，增加的方式是 old*2+1。HashMap中hash数组的默认大小是16，而且一定是2的指数。

WeakHashMap类

WeakHashMap是一种改进的HashMap，它对key实行“弱引用”，如果一个key不再被外部所引用，那么该key可以被GC回收。