Java get set 同步_Java容器（List、Set、Map）知识点快速复习手册（上）
前言
本文快速回顾了Java中容器的知识点，用作面试复习，事半功倍。
上篇：主要为容器概览，容器中用到的设计模式，List源码
中篇：Map源码
下篇：Set源码，容器总结
其它知识点复习手册
Java基础知识点面试手册(上)
Java基础知识点面试手册(下)
概览
容器主要包括 Collection 和 Map 两种，Collection 又包含了 List、Set 以及 Queue。
Collection
数组和集合的区别:
长度
数组的长度固定
集合的长度可变
内容
数组存储的是同一种类型的元素
集合可以存储不同类型的元素(但是一般我们不这样干..)
元素的数据类型
数组可以存储基本数据类型,也可以存储引用类型
集合只能存储引用类型(若存储的是简单的int，它会自动装箱成Integer)
1. Set(元素不可重复)
HashSet：基于HashMap实现，支持快速查找，但不支持有序性操作。
TreeSet：基于红黑树实现，支持有序性操作，但是查找效率不如 HashSet，HashSet 查找时间复杂度为 O(1)，TreeSet 则为 O(logN)；
LinkedHashSet：具有 HashSet 的查找效率，且内部使用链表维护元素的插入顺序。
2. List(有序(存储顺序和取出顺序一致)，可重复)
ArrayList：基于动态数组实现，支持随机访问；
Vector：和 ArrayList 类似，但它是线程安全的；
LinkedList：基于双向链表实现，只能顺序访问，但是可以快速地在链表中间插入和删除元素。不仅如此，LinkedList 还可以用作栈、队列和双向队列。
3. Queue
LinkedList：可以用它来支持双向队列；
PriorityQueue：基于堆结构实现，可以用它来实现优先队列。
Map
HashMap：基于哈希实现；
HashTable：和 HashMap 类似，但它是线程安全的，这意味着同一时刻多个线程可以同时写入 HashTable 并且不会导致数据不一致。它是遗留类，不应该去使用它。
ConcurrentHashMap：支持线程安全，并且 ConcurrentHashMap 的效率会更高，因为 ConcurrentHashMap 引入了分段锁。
LinkedHashMap：使用链表来维护元素的顺序，顺序为插入顺序或者最近最少使用(LRU)顺序。
TreeMap：基于红黑树实现。
Fail-Fast 机制和 Fail-Safe 机制
Fail-Fast
Fail-fast 机制是 java 集合(Collection)中的一种错误机制。 当多个线程对同一个集合的内容进行操作时，就可能会产生 fail-fast 事件。
迭代器在遍历时直接访问集合中的内容,并且在遍历过程中使用一个modCount变量,
集合中在被遍历期间如果内容发生变化(增删改),就会改变modCount的值,
每当迭代器使用 hashNext()/next()遍历下一个元素之前,都会执行checkForComodification()方法检测，modCount变量和expectedmodCount值是否相等,
如果相等就返回遍历,否则抛出异常,终止遍历.
注意，如果集合发生变化时修改modCount值, 刚好有设置为了expectedmodCount值, 则异常不会抛出.(比如删除了数据,再添加一条数据)
所以，一般来说，存在非同步的并发修改时，不可能作出任何坚决的保证。
迭代器的快速失败行为应该仅用于检测程序错误, 而不是用他来同步。
java.util包下的集合类都是Fail-Fast机制的,不能在多线程下发生并发修改(迭代过程中被修改).
Fail-Safe
采用安全失败(Fail-Safe)机制的集合容器,在遍历时不是直接在集合内容上访问的，而是先copy原有集合内容,在拷贝的集合上进行遍历。
原理:
由于迭代时是对原集合的拷贝的值进行遍历,所以在遍历过程中对原集合所作的修改并不能被迭代器检测到,所以不会出发ConcurrentModificationException
缺点:
迭代器并不能访问到修改后的内容(简单来说就是, 迭代器遍历的是开始遍历那一刻拿到的集合拷贝,在遍历期间原集合发生的修改迭代器是不知道的)
使用场景:
java.util.concurrent包下的容器都是Fail-Safe的,可以在多线程下并发使用,并发修改
容器中使用的设计模式
迭代器模式
Iterator它是在ArrayList等集合的内部类的方式实现
Collection 实现了 Iterable 接口，其中的 iterator() 方法能够产生一个 Iterator 对象，通过这个对象就可以迭代遍历 Collection 中的元素。
从 JDK 1.5 之后可以使用 foreach 方法来遍历实现了 Iterable 接口的聚合对象。
List list =newArrayList<>();
list.add("a");
list.add("b");
for(String item : list){
System.out.println(item);
}
适配器模式
java.util.Arrays#asList() 可以把数组类型转换为 List 类型。
@SafeVarargs
public static List asList(T... a)
如果要将数组类型转换为 List 类型，应该注意的是 asList() 的参数为泛型的变长参数，因此不能使用基本类型数组作为参数，只能使用相应的包装类型数组。
Integer[ ] arr = {1, 2, 3};
List list = Arrays.asList(arr);
也可以使用以下方式生成 List。
List list = Arrays.asList(1 ,2, 3);
源码分析
ArrayList
关键词
默认大小为 10
扩容 1.5 倍，加载因子为 0.5
基于动态数组实现
删除元素时不会减少容量，若希望减少容量则调用trimToSize()
它不是线程安全的
它能存放null值。
扩容操作需要调用 Arrays.copyOf() 把原数组整个复制到新数组
删除需要调用 System.arraycopy() 将 index+1 后面的元素都复制到 index 位置上，复制的代价很高。 -序列化：只序列化数组中有元素填充那部分内容
概览
实现了 RandomAccess 接口，因此支持随机访问。这是理所当然的，因为 ArrayList 是基于数组实现的。
public class ArrayList extends AbstractList
implements List, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable
扩容
如果不够时，需要使用 grow() 方法进行扩容，新容量的大小为 oldCapacity+(oldCapacity>>1)，也就是旧容量的 1.5 倍。
扩容操作需要调用 Arrays.copyOf() 把原数组整个复制到新数组中
因此最好在创建 ArrayList 对象时就指定大概的容量大小，减少扩容操作的次数。
public boolean add(E e) {
ensureCapacityInternal(size + 1); // Increments modCount!!
elementData[size++] = e;
return true;
}
private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
}
ensureExplicitCapacity(minCapacity);
}
private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
modCount++;
// overflow-conscious code
if (minCapacity - elementData.length > 0)
grow(minCapacity);
}
private void grow(int minCapacity) {
// overflow-conscious code
int oldCapacity = elementData.length;
int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
if (newCapacity - minCapacity < 0)
newCapacity = minCapacity;
if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
// minCapacity is usually close to size, so this is a win:
elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
}
加入元素：add
add(E e)
首先去检查一下数组的容量是否足够
足够：直接添加
不足够：扩容
扩容到原来的1.5倍，第一次扩容后，如果容量还是小于minCapacity，就将容量扩充为minCapacity。
add(int index, E element)
步骤：
检查角标
空间检查，如果有需要进行扩容
插入元素
删除元素：remove
步骤：
检查角标
删除元素
计算出需要移动的个数，并移动
设置为null，让GC回收(所以说不是立刻回收，而是等待GC回收)
public E remove(int index) {
rangeCheck(index);
modCount++;
E oldValue = elementData(index);
int numMoved = size - index - 1;
if (numMoved > 0)
System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index, numMoved);
elementData[--size] = null; // clear to let GC do its work
return oldValue;
}
需要调用 System.arraycopy() 将 index+1 后面的元素都复制到 index 位置上，复制的代价很高。
复制数组：System.arraycopy()
看到arraycopy()，我们可以发现：该方法是由C/C++来编写的
Fail-Fast
modCount 用来记录 ArrayList 结构发生变化的次数。结构发生变化是指添加或者删除至少一个元素的所有操作，或者是调整内部数组的大小，仅仅只是设置元素的值不算结构发生变化。
在进行序列化或者迭代等操作时，需要比较操作前后 modCount 是否改变，如果改变了需要抛出 ConcurrentModificationException。
private void writeObject(java.io.ObjectOutputStream s)
throws java.io.IOException{
// Write out element count, and any hidden stuff
int expectedModCount = modCount;
s.defaultWriteObject();
// Write out size as capacity for behavioural compatibility with clone()
s.writeInt(size);
// Write out all elements in the proper order.
for (int i=0; i
s.writeObject(elementData[i]);
}
if (modCount != expectedModCount) {
throw new ConcurrentModificationException();
}
}
构造器
ArrayList 提供了三种方式的构造器：
public ArrayList()可以构造一个默认初始容量为10的空列表；
public ArrayList(int initialCapacity)构造一个指定初始容量的空列表；
public ArrayList(Collection c)构造一个包含指定 collection 的元素的列表，这些元素按照该collection的迭代器返回它们的顺序排列的。
序列化
补充：transient讲解
你只需要实现Serilizable接口，将不需要序列化的属性前添加关键字transient，序列化对象的时候，这个属性就不会序列化到指定的目的地中。
ArrayList 基于数组实现，并且具有动态扩容特性，因此保存元素的数组不一定都会被使用，那么就没必要全部进行序列化。
保存元素的数组 elementData 使用 transient 修饰，该关键字声明数组默认不会被序列化。
transient Object[] elementData; // non-private to simplify nested class access
ArrayList 实现了 writeObject() 和 readObject() 来控制只序列化数组中有元素填充那部分内容。
private void readObject(java.io.ObjectInputStream s)
throws java.io.IOException, ClassNotFoundException {
elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
// Read in size, and any hidden stuff
s.defaultReadObject();
// Read in capacity
s.readInt(); // ignored
if (size > 0) {
// be like clone(), allocate array based upon size not capacity
ensureCapacityInternal(size);
Object[] a = elementData;
// Read in all elements in the proper order.
for (int i=0; i
a[i] = s.readObject();
}
}
}
private void writeObject(java.io.ObjectOutputStream s)
throws java.io.IOException{
// Write out element count, and any hidden stuff
int expectedModCount = modCount;
s.defaultWriteObject();
// Write out size as capacity for behavioural compatibility with clone()
s.writeInt(size);
// Write out all elements in the proper order.
for (int i=0; i
s.writeObject(elementData[i]);
}
if (modCount != expectedModCount) {
throw new ConcurrentModificationException();
}
}
序列化时需要使用 ObjectOutputStream 的 writeObject() 将对象转换为字节流并输出。而 writeObject() 方法在传入的对象存在 writeObject() 的时候会去反射调用该对象的 writeObject() 来实现序列化。反序列化使用的是 ObjectInputStream 的 readObject() 方法，原理类似。
ArrayList list = new ArrayList();
ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream(file));
oos.writeObject(list);
Vector
关键词
默认大小为 10(与Arraylist相同)
扩容 2 倍，加载因子是 1(Arraylist是扩容 1.5 倍，加载因子为 0.5)
其它几乎与ArrayList完全相同，唯一的区别在于 Vector 是同步的，因此开销就比 ArrayList 要大，访问速度更慢。
使用了 synchronized 进行同步
Vector是jdk1.2的类了，比较老旧的一个集合类。应使用JUC的CopyOnWriteArrayList代替
替代方案
可以使用 Collections.synchronizedList(); 得到一个线程安全的 ArrayList。
List list = new ArrayList<>();
List synList = Collections.synchronizedList(list);
也可以使用 concurrent 并发包下的 CopyOnWriteArrayList 类。
List list = new CopyOnWriteArrayList<>();
CopyOnWriteArrayList
关键词
写操作在一个复制的数组上进行，读操作还是在原始数组中进行，读写分离，互不影响。
写操作需要加锁，防止并发写入时导致写入数据丢失。
写操作结束之后需要把原始数组指向新的复制数组。
适用于读操作远大于写操作的场景。
读写分离
public boolean add(E e) {
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lock();
try {
Object[] elements = getArray();
int len = elements.length;
Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
newElements[len] = e;
setArray(newElements);
return true;
} finally {
lock.unlock();
}
}
final void setArray(Object[] a) {
array = a;
}
@SuppressWarnings("unchecked")
private E get(Object[] a, int index) {
return (E) a[index];
}
适用场景
CopyOnWriteArrayList 在写操作的同时允许读操作，大大提高了读操作的性能，因此很适合读多写少的应用场景。
缺陷
内存占用：在写操作时需要复制一个新的数组，使得内存占用为原来的两倍左右；
数据不一致：读操作不能读取实时性的数据，因为部分写操作的数据还未同步到读数组中。
所以 CopyOnWriteArrayList 不适合内存敏感以及对实时性要求很高的场景。
LinkedList
关键词
双向链表
默认大小为 10
带 Head 和 Tail 指针
Node 存储节点信息
概览
基于双向链表实现，内部使用 Node 来存储链表节点信息。
private static class Node {
E item;
Node next;
Node prev;
}
每个链表存储了 Head 和 Tail 指针：
transient Node first;
transient Node last;
ArrayList 与 LinkedList 比较
ArrayList 基于动态数组实现，LinkedList 基于双向链表实现；
ArrayList 支持随机访问，LinkedList 不支持；
LinkedList 在任意位置添加删除元素更快。
删除元素：remove
获取元素：get
下标小于长度的一半，从头遍历
反之，从尾部遍历
替换元素：set
set方法和get方法其实差不多，根据下标来判断是从头遍历还是从尾遍历
其他方法
LinkedList实现了Deque接口，因此，我们可以操作LinkedList像操作队列和栈一样
LinkedList的方法比ArrayList的方法多太多了，这里我就不一一说明了。具体可参考：
参考
Eckel B. Java 编程思想 [M]. 机械工业出版社, 2002.
Java Collection Framework
Iterator 模式
Java 8 系列之重新认识 HashMap
What is difference between HashMap and Hashtable in Java?
Java 集合之 HashMap
The principle of ConcurrentHashMap analysis
探索 ConcurrentHashMap 高并发性的实现机制
HashMap 相关面试题及其解答
Java 集合细节(二)：asList 的缺陷
Java Collection Framework – The LinkedList Class
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