Java常用集合总结

1.集合的理解和好处

1)我们先分析一下使用数组的弊端：
①长度开始时必须指定，并且一旦指定，不能更改
②保存的元素必须为同一类型
③增加/删除元素比较麻烦
2)集合的好处
①可以动态保存任意多个对象，使用比较方便
②提供了很多方便的操作对象的方法：add、remove、set、get等
3)集合的框架体系如下：
①单列集合

②双列集合

2.单列集合Collection

1)Collection接口常用方法
①add():添加单个元素
②remove():删除指定元素
③contains():查找元素是否存在
④size():获取元素个数
⑤isEmpty():判断是否为空
⑥clear():清空
⑦addAll():添加多个元素
⑧removeAll():删除多个元素
⑨containsAll():查找多个元素是否都存在
2)Collection接口遍历元素的方法[使用Iterator(迭代器)]
①Iterator对象称为迭代器，主要用于遍历Collection集合中的元素
②所有实现了Iterator接口的集合类都有一个iterator()方法，用以返回一个实现了Iterator接口的对象，即可以返回一个迭代器
③查看源码发现,iterator()方法存在于Collection的上一级Iterable中

   public interface Iterable<T> {
    Iterator<T> iterator();
  }

④迭代器的执行原理

Iterator iterator = coll.iterator();//得到一个集合的迭代器
//hasNext();判断是否还有下一个元素
while(iterator.hasNext()){
iterator.next()//next作用：坐标下移,返回下一个元素
}

⑤迭代器的简化版[增强for循环]
for(元素类型 元素名 : 集合名/数组名){
访问元素
}

2.1 List接口

1.List接口的特点
1)List集合类中元素有序(即添加顺序和取出顺序一致)、且可重复
2)List集合中的每一个元素都有其对应的顺序索引
2.List接口常用方法

        List list = new ArrayList();
        list.add("亚瑟");
        list.add("程咬金");
//  1)  void add(int index, E element): 在index位置插入元素
        list.add(1, "后羿");
        System.out.println("list=" + list);//list=[亚瑟, 后羿, 程咬金]
//  2)  boolean addAll(int index, Collection c):从index位置将c中所有元素添加进来
        List list1 = new ArrayList<>();
        list1.add("张三");
        list1.add("李四");
        list.addAll(1, list1);
        System.out.println("list=" + list);//list=[亚瑟, 张三, 李四, 后羿, 程咬金]
//  3)  E get(int index):获取指定index位置的元素
//  4)  int indexOf(Object o):返回o在集合中首次出现的位置
        System.out.println(list.indexOf("后羿"));//3
//  5)  int lastIndexOf(Object o):返回o在集合中未次出现的位置
        list.add("后羿");
        System.out.println(list.lastIndexOf("后羿"));
//  6)  E remove(int index);移除指定index位置的元素，并返回此元素
//  7)  E set(int index, E element);替换指定index位置的元素
        list.set(0, "鲁班");
        System.out.println("list=" + list);
//  8)  List subList(int fromIndex, int toIndex);返回从fromIndex到toIndex位置的子集合
        System.out.println(list.subList(1,3));

2.1.1ArrayList类

   ArrayList list = new ArrayList();
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            list.add(i);
        }
        for (int i = 11;i<=15;i++){
            list.add(i);
        }
        list.add(100);
        list.add(200);
        list.add(null);
    }

上面代码的执行源码流程如下：

ArrayList源码分析：
（1）ArrayList中维护了一个Object类型的数组elementData

transient Object[] elementData;//transient表示瞬间，短暂的，表示该属性不会被序列化

（2）当创建ArrayList对象时，如果使用的是无参构造器。则初始elementData容量为0，第一次添加，则扩容elementData为10，如需要再次扩容，则扩容elementData为1.5倍
（3）如果使用的是指定大小的构造器，则初始elementData容量为指定大小，如果需要扩容，则直接扩容elementData为1.5倍。

2.1.2 Vector类

1.Vector类的特点：
(1)Vector类底层是一个数组， protected Object[] elementData;
(2)Vector是线程同步的，即线程安全的，该类方法带有synchronized
2.Vector和ArrayList的比较

2.1.3LinkedList类

1.LinkedList类的特点
1)LinkedList底层实现了双向链表和双端队列特点
2)可以添加任意元素(元素可以重复),包括null
3)线程不安全，没有实现同步
2.LinkedList底层操作机制
1)LinkedList底层维护了一个双向链表
2)LinkedList中维护了两个属性first和last分别指向首节点和尾节点
3)每个节点(Node对象),里面又维护了prev、next、item，其中通过prev指向前一个，通过next指向后一个节点。最终实现双向链表。
4)LinkedList添加和删除元素不是通过数组完成的，相对来说效率较高。

3.ArrayList和LinkedList的比较

2.2 Set接口

1.Set接口的基本介绍
1）无序(添加和取出的顺序不一致)，取出的顺序虽然不是添加的顺序，但是它的顺序是固定的。
2）不允许有重复元素;可以存放null,最多包含一个null
3）没有索引，故不能使用索引的方法来获取元素

2.2.1 HashSet类

1.HashSet的简介
1）HashSet实现了Set接口
2）查看源码可知，HashSet实际上是HashMap

 public HashSet() {
        map = new HashMap<>();
    }

2.HashSet的底层源码分析
1）使用HashSet添加一个元素时，会先得到hash值，然后转成—>索引值
2）找到存储数据表table，看这个索引位置是否已经存放的有元素。
3）没有则直接加入，如果有，则调用equals方法进行比较
4）在Java8中，如果一条链表的元素个数达到TREEIFY_THRESHOLD (默认是8)，并且table的大小 >= MIN_TREEIFY_CAPACITY (默认是64)，就会进行树化(红黑树),这样又大大提高了查找的效率。

2.2.2 LinkedHashSet类

1.LinkedHashSet的简介
1）在LinkedHashSet中维护了一个hash表和双向链表(LinkedHashSet有head和tail)
2）每一个节点有before和after属性，这样可以形成双向链表
3）在添加一个元素时，先求hash值，再求索引，确定该元素在table的位置，然后将添加的元素加入到双向链表
4）遍历LinkedHashSet，插入顺序和遍历顺序一致

2.3 COW并发容器

（1）COW并发容器，全称Copy On Write容器，写时复制容器(即读写分离容器)
（2）原理：
向容器中添加元素时，先将容器进行Copy复制出一个新容器，然后将元素添加到新容器中，再将原容器的引用指向新容器。
并发读的时候不需要锁定容器，因为原容器没有变化，所以可以读取到原容器中的值，使用的是一种读写分离的思想。
（3）这种设计的好处是什么？
注意上面的操作arr数组本身是无锁的，没有锁，在添加数据的时候，做了额外的复制；此时如果有线程来读数据，那么读取的是
老arr的数据，此时arr的地址还没有改呢，在添加元素的过程中，无论有多少个线程来读线程，读的都是原来的arr，不是新的arr，
所以性能很高，读写分离。提高了并发性能，如果再读就会再复制
（4）注意
CopyOnWrite容器只能保证数据的最终一致性，不能保证数据实时一致性。所以如果你希望写入的数据，马上就能读到，就不要
再使用CopyOnWrite容器了
（5）适合特定场合
这个应用场景显而易见，适合读多写少的情况。如果一万个线程都添加操作，都在集合中添加数据，数组就会不断复制，长度不断+1，
那么JVM肯定会一直往上飙升。你用的时候就需要先评估一下使用场景。由于每次更新都会复制新容器，所以如果数据量较大并且更新
操作频繁则对内存消耗很高，建议在高并发读的场景下使用
（6）COW容器有两种，一种是CopyOnWriteArrayList，一种是CopyOnWriteArraySet；一个是替代ArrayList，一个是替代Set

2.3.1 CopyOnWriteArrayList源码

public class CopyOnWriteArrayList<E>{
//底层是基于数组实现的
    private transient volatile Object[] array;
    public CopyOnWriteArrayList() {
        setArray(new Object[0]);
    }
    final void setArray(Object[] a) {
        array = a; // array = new Object[0]
    }
 //add方法
 public boolean add(E e) {
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lock();
        try {
        //返回底层array数组，给了elements
            Object[] elements = getArray();
        //获取elements的长度 --》 获取老数组的长度    
            int len = elements.length;
        //完成数组的复制，将老数组中的元素复制到新数组中，并且新数组的长度+1    
            Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
        // 将e元素放入新数组的最后位置    
            newElements[len] = e;
        //array数组的指向从老数组变为新数组    
            setArray(newElements);
            return true;
        } finally {
            lock.unlock();
        } }

 private boolean addIfAbsent(E e, Object[] snapshot) {
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lock();
        try {
        //取出array数组给current
            Object[] current = getArray();
            int len = current.length;
            if (snapshot != current) {
                // Optimize for lost race to another addXXX operation
                int common = Math.min(snapshot.length, len);
               //遍历老数组
                for (int i = 0; i < common; i++)
               //将遍历的元素和老数组的每一个元素进行比较，如果有重复的元素，就返回false，不添加了
                    if (current[i] != snapshot[i] && eq(e, current[i]))
                        return false;
                if (indexOf(e, current, common, len) >= 0)
                        return false;
            }
            Object[] newElements = Arrays.copyOf(current, len + 1);
            newElements[len] = e;
            setArray(newElements);
            return true;
        } finally {
            lock.unlock();
        } } }

2.3.2 CopyOnWriteArraySet源码

public class CopyOnWriteArraySet<E> extends AbstractSet<E>
//CopyOnWriteArraySet底层是基于CopyOnWriteArrayList的
    private final CopyOnWriteArrayList<E> al;
//add方法底层调用的还是CopyOnWriteArrayList的addIfAbsent方法
    public boolean add(E e) {
        return al.addIfAbsent(e);
    }

由上面的源码可以看出，每次调用CopyOnWriteArraySet的add方法的时候，其底层是基于CopyOnWriteArrayList的addIfAbsent方法的，
每次在addIfAbsent方法中都要对数组进行遍历，所以CopyOnWriteArraySet的性能低于CopyOnWriteArrayList

3.双列集合Map

Map就是用来存储“键(key)-值(value)对”的;Map类中存储的“键值对”通过键来标识,所以“键对象”不能重复。

3.1 HashMap类

HashMap底层使用了哈希表。哈希表的基本结构就是“数组+链表”
①数组：占用空间连续。寻址容易，查询速度块。但是，增加和删除效率非常低
②链表：占用空间不连续。寻址困难，查询速度慢。但是，增加和删除效率非常高。
（1）JDK1.7之前，HashMap 就是一个table数组 + 链表实现的存储结构
（2）JDK1.8中，当链表的存储数据个数大于等于8的时候,不再采用链表存储,而采用了红黑树存储结构

3.1.1Hashmap基本结构讲解：

（1）哈希表的基本结构就是“数组+链表”。我们打开HashMap源码，发现有如下两个核心内容

（2）其中的Entry[] table 就是HashMap的核心数组结构，我们也称之为“位桶数组”。我们再继续看Entry是什么，源码如下：

一个Entry对象存储了：
① key：键对象 value：值对象
② next:下一个节点
③ hash: 键对象的hash值
显然每一个Entry对象就是一个单向链表结构，我们使用图形表示一个Entry对象的典型示意：

3.1.2 存储数据过程

（1）获得key对象的hashcode
首先调用key对象的hashcode()方法，获得hashcode
（2） 根据hashcode计算出hash值
hashcode是一个整数，我们需要将它转化成[0, 数组长度-1]的范围。我们要求转化后的hash值尽量均匀地分布在[0,数组长度-1]这个区间，减少“hash冲突”
(3) 生成Entry对象
如上所述，一个Entry对象包含4部分：key对象、value对象、hash值、指向下一个Entry对象的引用。我们现在算出了hash值。下一个Entry对象的引用为null。
(4) 将Entry对象放到table数组中
如果本Entry对象对应的数组索引位置还没有放Entry对象，则直接将Entry对象存储进数组;如果对应索引位置已经有Entry对象，则将已有Entry对象的next指向本Entry对象，形成链表

3.1.5 取数据过程get(key)

我们需要通过key对象获得“键值对”对象，进而返回value对象。明白了存储数据过程，取数据就比较简单了，参见以下步骤：
(1) 获得key的hashcode，通过hash()散列算法得到hash值，进而定位到数组的位置。
(2) 在链表上挨个比较key对象。调用equals()方法，将key对象和链表上所有节点的key对象进行比较，直到碰到返回true的节点对象为止。
(3) 返回equals()为true的节点对象的value对象。
明白了存取数据的过程，我们再来看一下hashcode()和equals方法的关系：
Java中规定，两个内容相同(equals()为true)的对象必须具有相等的hashCode。因为如果equals()为true而两个对象的hashcode不同;那在整个存储过程中就发生了悖论。

3.1.6 扩容问题

（1）HashMap的位桶数组，初始大小为16。实际使用时，显然大小是可变的。如果位桶数组中的元素达到(0.75*数组 length)， 就重新调整数组大小变为原来2倍大小。
（2）扩容很耗时。扩容的本质是定义新的更大的数组，并将旧数组内容挨个拷贝到新数组中。

3.1.4 手动实现HashMap

public class DemoHashMap<K,V> {
    Node[] table;//位桶数组
    int size;//存放的键值对的个数

    @Override
    public String toString() {
        StringBuilder sb = new StringBuilder("{");
//        遍历bucket数组
        for (int i = 0; i < table.length; i++) {
            Node temp = table[i];
//            遍历链表秒
            while (temp != null) {
                sb.append(temp.key + ":" + temp.value + ",");
                temp = temp.next;
            }   }
        sb.setCharAt(sb.length() - 1, '}');
        return sb.toString();
    }
    public static void main(String[] args) {
        DemoHashMap<Integer, Object> m = new DemoHashMap<>();
        m.put(10, "aa");
        m.put(20, "bb");
        m.put(30, "cc");
        m.put(20, "sss");
        m.put(53, "gg");
        m.put(69, "mm");
        m.put(85, "kk");
        System.out.println(m);
        System.out.println( m.get(53));
    }
    public DemoHashMap() {
        table = new Node[16]; //长度一般定义成2的整数次幂
    }
    public V get(K key) {
        int hash = myHash(key.hashCode(), table.length);
        V value = null;
        if (table[hash] != null) {
            Node temp = table[hash];
            while (temp != null) {
                if (temp.key.equals(key)) {//如果相等,则说明找到了键值对，返回对应的value
                  value = (V) temp.value;
                    break;
                } else {
                    temp = temp.next;
                }  }  }
        return value;
    }
    public void put(K key, V value) {
//        定义了新的结点对象
        Node newNode = new Node();
        newNode.hash = myHash(key.hashCode(), table.length);
        newNode.key = key;
        newNode.value = value;
        newNode.next = null;
        Node temp = table[newNode.hash];
        Node iterLast = null;//正在遍历的最后一个元素
        boolean keyRepeat = false;
        if (temp == null) {
//            此处数组元素为空，则直接将新节点放进去
            table[newNode.hash] = newNode;
            size++;
        } else {
//            此处数组元素不为空，则遍历对应链表。。
            while (temp != null) {
//          判断key如果重复，则覆盖
                if (temp.key.equals(key)) {
                    keyRepeat = true;
                    temp.value = value;//只是覆盖value即可。其他的值(hash,key.next)保持不变
                    break;
                } else {
//                    key不重复，则遍历下一个
                    iterLast = temp;
                    temp = temp.next;
                } }
            if (!keyRepeat) {//如果没有发生key重复的情况，则添加到链表最后
                iterLast.next = newNode;
                size++;
            } } }
    public int myHash(int v, int length) {
        return v & (length - 1);
    } }
class Node<K,V> {
    int hash;
    K key;
    V value;
    Node next;
}

3.2 HashTable类

HashTable类和HashMap用法几乎一样，底层实现几乎一样，只不过HashTable的方法添加了synchronized关键字确保线程同步检查，效率较低。
HashMap与HashTable的区别
（1）HashMap: 线程不安全，效率高。允许key或value为null。
（2） HashTable: 线程安全，效率低。不允许key或value为null。

3.3 ConcurrentHashMap

（1）与HashMap的区别是什么？
ConcurrentHashMap是HashMap的升级版，HashMap是线程不安全的，而ConcurrentHashMap是线程安全。而其他功能和实现原理和HashMap类似。
（2）与Hashtable的区别是什么？
①Hashtable也是线程安全的，但每次要锁住整个结构，并发性低。相比之下，ConcurrentHashMap获取size时才锁整个对象。
②Hashtable对get/put/remove都使用了同步操作。ConcurrentHashMap只对put/remove同步。
③Hashtable是快速失败的，遍历时改变结构会报错ConcurrentModificationException。ConcurrentHashMap是安全失败，允许并发检索和更新。

3.4 TreeMap类

TreeMap是红黑二叉树的典型实现。我们打开TreeMap的源码，发现里面有一行核心代码：

private transient Entry<K,V> root = null;

root用来存储整个树的根节点。我们继续跟踪Entry(是TreeMap的内部类)的代码：

可以看到里面存储了本身数据、左节点、右节点、父节点、以及节点颜色。 TreeMap的put()/remove()方法大量使用了红黑树的理论。