通俗的理解一下Java中的集合和并发集合

这是一篇用于速记和通俗理解的文章，有不严谨的地方欢迎指出来，反正我不一定改。
先来挂一张Java集合的鸟瞰图（俯视图？框架图？）。

图片转载自：面试常被问到的 Java 集合知识点（详细）

接下来我们通俗的理解一下

我们使用Java语言进行开发，设计了类，那么肯定是需要一种东西来装载这些类的对象。于是Java设计了 集合 和 Map 来做这件事。
PS：Java容器里只能放对象，对于基本类型（int, long, float, double等），需要将其包装成对象类型后（Integer, Long, Float, Double等）才能放到容器里。很多时候拆包装和解包装能够自动完成。这虽然会导致额外的性能和空间开销，但简化了设计和编程。

集合（Collection）负责存储一个元素集合，而图（Map）负责存储键/值对映射。
但是集合和Map能表达的很有限。

• 我们对集合内元素的放置提出了要求：
  • 来收集有序的且允许有重复元素的Collection，于是有了 List。
  • 来收集无序的且不包含重复元素的Collection，于是有了 Set。
• 我们对集合的存取提出了要求：
  • 希望读取的对象，顺序进入，顺序取出，即先进先出，于是有了 Queue。
  • 希望读取的对象，顺序进入，逆序取出，即先进后出，于是有了 Stack。
• 我们对Map内元素的放置提出了要求：
  • 如果按照 hash 的方式进行放置，于是有了 HashMap。
  • 如果按照 二叉平衡树 的方式进行放置，于是有了 SortedMap 和 TreeMap。
    

好了，在上面，我们一共提到了六大种容器，分别是：List、Set、Queue、Stack、HashMap、TreeMap。

• 对于List，我们提出了更进一步的要求：
  • 按照数组方式实现List，于是有了 ArrayList。
  • 按照双向循环链表方式实现List，于是有了 LinkedList。
• 对于HashMap，我们提出了更进一步的要求：
  • 既能够保留hash的存取方式，又能够像LinkedList一样记录元素的插入顺序，于是有了 LinkedHashMap。
  • 对于一些缓存的场景，我们希望旧数据能自己消失，于是有了 WeakHashMap。
• 对于TreeMap，我们提不出更进一步的要求了。
• 对于Set，我们提出了更进一步的要求：
  • 按照Hash的方式存取数据，于是有了 HashSet，本质上是包装了 HashMap。
  • 按照AVL的方式存取数据，于是有了 TreeSet，本质上是包装了 TreeMap。
  • 既有Hash的存取方式，又能够像LinkedList一样记录元素的插入顺序，于是有了 LinkedHashSet,，本质上是包装了 LinkedHashMap。
• 对于Queue，我们提出了更进一步的要求：
  • 按照 优先队列 的方式存取数据，于是有了 PriorityQueue，
  • 按照一个既可以当队列又可以当栈的方式存取数据，于是有了双端队列：DeQueue。
  • DeQueue如果按照数组的方式实现，于是有了 ArrayDeque。
• 对于Stack，我们提不出更进一步的要求了，但是我们希望你用DeQueue来实现栈和队列。

专题说说面试常见的容器

• HashMap
  • JDK 1.7 之前使用头插法、JDK 1.8 使用尾插法
  • 当碰撞导致链表大于 TREEIFY_THRESHOLD = 8 时，就把链表转换成红黑树
  • 转化前，桶的数量必须大于64，小于64的时候只会扩容
  • 链表长度低于6，就把红黑树转回链表
• ConcurrentHashMap
  • 没有初始化，就调用 initTable() 方法来进行初始化
  • 没有 hash 冲突就直接 CAS 无锁插入
  • 需要扩容，就先进行扩容
  • 存在 hash 冲突，就加锁来保证线程安全，两种情况：一种是链表形式就直接遍历到尾端插入，一种是红黑树就按照红黑树结构插入
  • 该链表的数量大于阀值 8，就要先转换成红黑树的结构，break 再一次进入循环
  • 添加成功就调用 addCount() 方法统计 size，并且检查是否需要扩容
  • 扩容方法 transfer()：默认容量为 16，扩容时，容量变为原来的两倍，helpTransfer()：调用多个工作线程一起帮助进行扩容，这样的效率就会更高
  • hash 值，定位到该 table 索引位置，如果是首结点符合就返回，如果遇到扩容时，会调用标记正在扩容结点 ForwardingNode.find()方法，查找该结点，匹配就返回，以上都不符合的话，就往下遍历结点，匹配就返回，否则最后就返回 null。

上述ConcurrentHashMap部分内容引用于 互联网架构师

进入并发快车道

对于上述提及的容器，很多是不可以用在高并发环境下的，会有线程安全问题，对于常用的容器，我们在Java并发包下，列出了并发版本的容器。

• 先说说HashMap

  • HashMap比较快，但是线程不安全，于是引入了 HashTable，通过Synchronize加锁的方式，变得线程安全，但是牺牲了效率，于是又引入 ConcurrentHashMap ，通过分段锁的方式，既保证了安全性有提升了效率。
  • ConcurrentHashMap，在 JDK 1.7 中采用 分段锁的方式；JDK 1.8 中直接采用了CAS（无锁算法）+ synchronized
    • JDK 1.7 中使用分段锁（ReentrantLock + Segment + HashEntry），相当于把一个 HashMap 分成多个段，每段分配一把锁，这样支持多线程访问。锁粒度：基于 Segment，包含多个 HashEntry。
    • JDK 1.8 中使用 CAS + synchronized + Node + 红黑树。锁粒度：Node（首结点）（实现 Map.Entry）。锁粒度降低了。
  • HashMap最多只允许一条记录的键为null，允许多条记录的值为null，而 HashTable不允许
  • HashMap 需要重新计算 hash 值，而 HashTable 直接使用对象的 hashCode

• 还有ArrayList

  • ArrayList不是线程安全的，于是有了 Vector，通过 Synchronize 加锁的方式，变得线程安全。

• 再说说Queue

  • BlockingQueue、BlockingDeque、
  • ArrayBlockingQueue、LinkedBlockingDeque、LinkedBlockingQueue、
  • ConcurrentLinkedDeque、ConcurrentLinkedQueue、
  • DelayQueue、PriorityBlockingQueue

• 最后说说List

  • CopyOnWriteArrayList、CopyOnWriteArraySet