【不失业计划】 Java集合框架+底层原理

集合可以看作是一种容器，用来存储对象信息。所有集合类都位于java.util包下，但支持多线程的集合类位于java.util.concurrent包下。

Java集合类主要由两个根接口Collection和Map派生出来的，Collection派生出了三个子接口：List、Set、Queue（Java5新增的队列），因此Java集合大致也可分成List、Set、Queue、Map四种接口体系，（注意：Map不是Collection的子接口）。

数组与集合的区别：

• 数组长度不可变化而且无法保存具有映射关系的数据；集合类用于保存数量不确定的数据，以及保存具有映射关系的数据。
• 数组元素既可以是基本类型的值，也可以是对象；集合只能保存对象。

一、Collection

1、Set

Set是一种不包含重复元素的Collection，Set最多只有一个null元素。

• HashSet：线程不同步，内部使用HashMap进行数据存储，提供的方法基本都是调用HashMap的方法，所以两者本质是一样的，集合元素可以为null。且不能保证元素的顺序。

  存储原理：（同HashMap一样）

  当向HashSet集合存储一个元素时，HashSet会调用该对象的hashCode()方法得到其hashCode值，然后根据hashCode值决定该对象的存储位置。HashSet集合判断两个元素相等的标准是

  (1)两个对象通过equals()方法比较返回true；

  (2)两个对象的hashCode()方法返回值相等。

  因此，如果(1)和(2)有一个不满足条件，则认为这两个对象不相等，可以添加成功。如果两个对象的hashCode()方法返回值相等，但是两个对象通过equals()方法比较返回false，HashSet会以链式结构将两个对象保存在同一位置，这将导致性能下降，因此在编码时应避免出现这种情况。

• LinkedHashSet

  LinkedHashSet是HashSet的一个子类，具有HashSet的特性，也是根据元素的hashCode值来决定元素的存储位置。但它使用链表维护元素的次序，元素的顺序与添加顺序一致。由于LinkedHashSet需要维护元素的插入顺序，因此性能略低于HashSet，但在迭代访问Set里的全部元素时有很好的性能。

• NavigableSet：添加了搜索功能，可以对元素进行搜索：小于、小于等于、大于、大于等于，返回一个符合条件的最接近给定元素的Key。

• TreeSet：线程不同步，内部使用NavigableMap操作，默认元素“自然顺序”排列，可以通过Comparator改变排序，它采用红黑树的数据结构来存储集合元素

• EnumSet：线程不同步，内部使用Enum数组实现，不允许添加null值，速度比HashSet快，只能存储在构造函数传入的枚举类的枚举值。

• 各个Set实现类的性能分析：

  • HashSet的性能比TreeSet的性能好（特别是添加，查询元素时），因为TreeSet需要额外的红黑树算法维护元素的次序，如果需要一个保持排序的Set时才用TreeSet，否则应该使用HashSet。
  • LinkedHashSet是HashSet的子类，由于需要链表维护元素的顺序，所以插入和删除操作比HashSet要慢，但遍历比HashSet快。
  • EnumSet是所有Set实现类中性能最好的，但它只能 保存同一个枚举类的枚举值作为集合元素。
  • 以上几个Set实现类都是线程不安全的，如果多线程访问，必须手动保证集合的同步性。

• Set常用方法

  • add() 新增：重复新增的值会被覆盖

  • 因为Set没有下标和key，所以没有修改方法

  • 删除：remove(Object) 和removeAll（Set）

  • 循环：

    Set<String> ss=new HashSet<String>();
    ss.add("a");ss.add("b");ss.add("c");ss.add("d");ss.add("e");ss.add("f");ss.add("g");ss.add("h");
    //循环方法1
    for (String s : ss) {
    　　System.out.print(s+",  ");
    }
    //循环方法2
    Iterator<String> iterator = ss.iterator();
    while(iterator.hasNext()){
    	System.out.print(iterator.next()+",  ");
    }
    

2、Queue

Queue用于模拟队列这种数据结构，队列通常是指“先进先出”（FIFO）的容器。新元素插入（offer）到队列的尾部，访问元素（poll）操作会返回队列头部的元素。通常，队列不允许随机访问队列中的元素。

• Dueue

  Deque接口是Queue接口的子接口，它代表一个双端队列。LinkedList也实现了Deque接口，所以也可以被当作双端队列使用。

• ArrayDeque

  用数组实现的Deque；既然是底层是数组那肯定也可以指定其capacity，也可以不指定，默认长度是16，然后根据添加的元素的个数，动态扩展。ArrayDeque由于是两端队列，所以其顺序是按照元素插入数组中对应位置产生的（下面会具体说明）。
  由于本身数据结构的限制，ArrayDeque没有像ArrayList中的trimToSize方法可以为自己瘦身。ArrayDeque的使用方法就是上面的Deque的使用方法，基本没有对Deque拓展什么方法。

• Queue常用方法

  • 成功返回true，在操作失败时抛出异常
    • add(E e)：添加一个元素到队尾
    • remove()：获取队首的元素，并从队列中移除
    • element()：获取队首的元素，但不从队列中移除
  • 成功返回true，失败时返回一个特殊值(取决于操作，为NULL或false)
    • offer(E e)：添加一个元素到队尾（offer(E e)操作是专为容量受限的队列实现而设计的；在大多数实现中，插入操作不会失败。）
    • poll()：获取队首的元素，并从队列中移除
    • peek()：获取队首的元素，但不从队列中移除

3、List

• ArrayList

  • ArrayList的底层实现是一个动态数组，也是我们最常用的集合，是List类的典型实现。它允许任何符合规则的元素插入甚至包括null。每一个ArrayList都有一个初始容量（10），该容量代表了数组的大小，当数组大小不足时增长率为当前长度的50%。

  • 随着容器中的元素不断增加，容器的大小也会随着增加。在每次向容器中增加元素的同时都会进行容量检查，当快溢出时，就会进行扩容操作。所以如果我们明确所插入元素的多少，最好指定一个初始容量值，避免过多的进行扩容操作而浪费时间、效率。

  • ArrayList是线程不安全的，多线程环境下可以考虑用Collections.synchronizedList(List l)函数返回一个线程安全的ArrayList类，也可以使用concurrent并发包下的CopyOnWriteArrayList类。

  • 具有的特点

    • ArrayList擅长于随机访问。
    • 同时ArrayList是非同步的。
    • 线程不安全的。

• Vector

  • 与ArrayList相似，它的操作与ArrayList几乎一样。默认初始容量为10，当数组大小不足时增长率为当前长度的100%。

  • 但是Vector是同步的。所以说Vector是线程安全的动态数组。他的同步是通过Iterator方法加synchronized实现的。

  • vector是线程安全的吗？

    vector的单个操作时原子性的，也就是线程安全的。但是如果两个原子操作复合而来，这个组合的方法是非线程安全的，需要使用锁来保证线程安全。

• Stack

  • Stack是Vector的子类，用户模拟“栈”这种数据结构，“栈”通常是指“后进先出”(LIFO)的容器。最后“push”进栈的元素，将被最先“pop”出栈。
  • 栈常用方法：
    • empty()：判断栈是否为空
    • peek()：查看栈顶对象，但不移除
    • pop()：移除栈顶对象，并作为此函数的返回值返回该对象
    • push(E item)：把项压入栈顶
    • search(Object o)：返回该对象在栈中位置
  • Stack与Vector一样，是线程安全的，但是性能较差，尽量少用Stack类。如果要实现栈”这种数据结构，可以考虑使用LinkedList

• LinkedList

  • LinkedList类是List接口的实现类——这意味着它是一个List集合，可以根据索引来随机访问集合中的元素。除此之外，LinkedList还实现了Deque接口，可以被当作成双端队列来使用，因此既可以被当成“栈"来使用，也可以当成队列来使用。

  • LinkedList的实现机制与ArrayList完全不同。ArrayList内部是以数组的形式来保存集合中的元素的，因此随机访问集合元素时有较好的性能；而LinkedList内部以链表的形式来保存集合中的元素，因此随机访问集合元素时性能较差，但在插入、删除元素时性能比较出色。

  • 常用方法：

    void addFirst(E e):将指定元素插入此列表的开头。
    void addLast(E e): 将指定元素添加到此列表的结尾。
    E getFirst(E e): 返回此列表的第一个元素。
    E getLast(E e): 返回此列表的最后一个元素。
    boolean offerFirst(E e): 在此列表的开头插入指定的元素。
    boolean offerLast(E e): 在此列表末尾插入指定的元素。
    E peekFirst(E e): 获取但不移除此列表的第一个元素；如果此列表为空，则返回 null。
    E peekLast(E e): 获取但不移除此列表的最后一个元素；如果此列表为空，则返回 null。
    E pollFirst(E e): 获取并移除此列表的第一个元素；如果此列表为空，则返回 null。
    E pollLast(E e): 获取并移除此列表的最后一个元素；如果此列表为空，则返回 null。
    E removeFirst(E e): 移除并返回此列表的第一个元素。
    boolean removeFirstOccurrence(Objcet o): 从此列表中移除第一次出现的指定元素（从头部到尾部遍历列表时）。
    E removeLast(E e): 移除并返回此列表的最后一个元素。
    boolean removeLastOccurrence(Objcet o): 从此列表中移除最后一次出现的指定元素（从头部到尾部遍历列表时）。
    

  • LinkedList也是非线程安全的。

  • LinkedList与ArrayList的性能对比

    • ArrayList 是一个数组队列，相当于动态数组。它由数组实现，随机访问效率高，随机插入、随机删除效率低。ArrayList应使用随机访问(即，通过索引序号访问)遍历集合元素。
    • LinkedList 是一个双向链表。它也可以被当作堆栈、队列或双端队列进行操作。LinkedList随机访问效率低，但随机插入、随机删除效率高。LinkedList应使用采用逐个遍历的方式遍历集合元素。
    • 如果涉及到“动态数组”、“栈”、“队列”、“链表”等结构，应该考虑用List，具体的选择哪个List，根据下面的标准来取舍。
      • 对于需要快速插入，删除元素，应该使用LinkedList。
      • 对于需要快速随机访问元素，应该使用ArrayList。
      • 对于“单线程环境” 或者 “多线程环境，但List仅仅只会被单个线程操作”，此时应该使用非同步的类(如ArrayList)。
      • 对于“多线程环境，且List可能同时被多个线程操作”，此时，应该使用同步的类(如Vector)。

二、Map

1、HashMap

• 实现原理

  ​ HashMap采用Entry数组来存储key-value对，每一个键值对组成了一个Entry实体，Entry类实际上是一个单向的链表结构，它具有Next指针，可以连接下一个Entry实体，以此来解决Hash冲突的问题。

  • 添加一个数据时：

    • 通过哈希算法将任意长度的key值通过散列算法换成固定长度的地址（hashcode()）
    • 通过这个地址在数组中进行查找，找到hashcode相同的位置，在对该列表中的值进行equals()比较，若相同，更新当前存放的value值，若不相同，在列表结尾新加一个结点存放当前value值
    • 注意：hashmap的key值和value值都可以为null，并且进行添加和检索元素时需要使用equals()方法和hashcode()方法进行检索才能确定元素是否存在。

  • jdk1.7之前（链表+数组）
    

  • jdk1.8之后（数组+链表+红黑树）

- 数据结构的存储由数组+链表的方式，变化为数组+链表+红黑树的存储方式，**当链表长度超过阈值（8）时**，**将链表转换为红黑树**。在性能上进一步得到提升。
- **put方法简单解析**：如果存在key节点，返回旧值，如果不存在则返回Null。
- 关于红黑树学习参考：https://www.cnblogs.com/skywang12345/p/3245399.html

• 哈希冲突

  • 但由于通过哈希函数产生的哈希值是有限的，而数据可能比较多，导致经过哈希函数处理后仍然有不同的数据对应相同的哈希值

  • 解决办法：

    • 链地址法：

      HashMap中的策略，即在碰撞得到的相同的结果后，用一个链表见这些结果存储起来

    • 开放定址法：

      threadlocalmap中的策略，当发生哈希冲突时，按照某种方法继续探测哈希表中的其他存储单元，直到找到空的位置为止

    • 再哈希法：

      又叫双哈希法，有多个不同的Hash函数，出现冲突后采用其他的哈希函数计算，直到不再冲突为止。

    • 公共溢出区法：

      创建哈希表时，将所有产生冲突的的同义词集中放在一个溢出表中。

• 特点

  • key 用 Set 存放，所以想做到 key 不允许重复，key 对应的类需要重写 hashCode 和 equals 方法
  • 允许空键和空值（但空键只有一个，且放在第一位）
  • 元素是无序的，而且顺序会不定时改变
  • 线程不安全的，默认初始容量为16，默认加载因子的大小：0.75

2、LinkedHashMap

• LinkedHashMap使用双向链表来维护key-value对的次序（其实只需要考虑key的次序即可），该链表负责维护Map的迭代顺序，与插入顺序一致，因此性能比HashMap低，但在迭代访问Map里的全部元素时有较好的性能。

• **保存了记录的插入顺序，**在使用Iterator遍历LinkedHashMap时，会先得到的记录肯定是先插入的，也可以在构造时用带参数，按照应用次数排序，在遍历的时候会比HashMap慢，不过有种情况例外，当HashMap的容量很大，实际数据较少时，遍历起来可能会比LinkedHashMap慢，因为LinkedHashMap遍历速度只与实际数据有关，和容量无关，而HashMap的遍历速度和他的容量有关。

3、HashTable

• 线程安全的，HashMap的迭代器（Iterator）是快速失败（fail-fast）迭代器。HashTable不能储存Null的Key和Value。

• HashTable和HashMap的区别

  • 继承的父类不同

    Hashtable继承自Dictionary类，而HashMap继承自AbstractMap类。但二者都实现了Map接口。

  • 线程安全性不同

    HashTable是线程安全的，HashMap是线程不安全的。Hashtable 中的方法是Synchronize的，而HashMap中的方法在缺省情况下是非Synchronize的。在多线程并发的环境下，可以直接使用Hashtable，不需要自己为它的方法实现同步，但使用HashMap时就必须要自己增加同步处理。

  • 是否有contains方法

    HashMap把Hashtable的contains方法去掉了，改成containsValue和containsKey。

    Hashtable则保留了contains，containsValue和containsKey三个方法，其中contains和containsValue功能相同。

  • 是否允许空值

    **Hashtable中，key和value都不允许出现null值。**但是如果在Hashtable中有类似put(null,null)的操作，编译同样可以通过，因为key和value都是Object类型，但运行时会抛出NullPointerException异常，这是JDK的规范规定的。

    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，可能是 HashMap中没有该键，也可能使该键所对应的值为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。

  • 内部默认容量和扩容方式不同

    HashTable在不指定容量的情况下的默认容量为11，Hashtable扩容时，将容量变为原来的2倍加1。

    HashMap在不指定容量的情况下的默认容量为16，HashMap扩容时，将容量变为原来的2倍。

4、ConcurrentHashMap

HashMap是线程不安全的，因为在并发插入元素的时候，可能出现代换链表，让下一次的读操作进入死循环。

ConcurrentHashMap是线程安全的。在jdk1.7和1.8也有不一样的变化：

• 1.7之前 采用Segment分段锁实现

  ConcurrentHashMap将原HashMap分配为2^n个Segment保存在Segments数组中：

• case1：不同的Segment可以同时写入（并发执行）

• case2：同一Segment的写和读可以并发执行

• case3：同一Segment的并发写入需要上锁，会被阻塞，ConcurrentHashMap当中的每个Segment各自持有一把锁，保证了线程安全又降低了锁的粒度

• 1.8之后 采用CAS+Synchronized

  CAS：CAS是compare and swap的缩写，即我们所说的比较交换。cas是一种基于锁的操作，而且是乐观锁。在java中锁分为乐观锁和悲观锁。悲观锁是将资源锁住，等一个之前获得锁的线程释放锁之后，下一个线程才可以访问。而乐观锁采取了一种宽泛的态度，通过某种方式不加锁来处理资源，比如通过给记录加version来获取数据，性能较悲观锁有很大的提高。

这里放弃了Segment而采用Node，结构基本上和Java8的HashMap一样，不过保证线程安全性。

5、TreeMap

• 线程不同步的，基于红黑树的NavigableMap实现，能够把它保存的记录更具键进行排序，默认是按照键值的升序排序，也可以指定排序的比较器，当用Iterator遍历TreeMap时得到的记录时排过序的
• 常考问题

  • TreeMap 是一个有序的key-value集合，它是通过红黑树实现的。

  • TreeMap 继承于AbstractMap，所以它是一个Map，即一个key-value集合。

  • TreeMap 实现了NavigableMap接口，意味着它支持一系列的导航方法。比如返回有序的key集合。

  • TreeMap 实现了Cloneable接口，意味着它能被克隆。

  • TreeMap基于红黑树（Red-Black tree）实现。**该映射根据其键的自然顺序(字母排序)进行排序，**或者根据创建映射时提供的 Comparator 进行排序，具体取决于使用的构造方法。

  • TreeMap的基本操作 containsKey、get、put 和 remove 的时间复杂度是 log(n) 。

  • TreeMap是非线程安全的。 它的iterator 方法返回的迭代器是fail-fast的。

三、工具类

1、Collections

//排序
Collections.sort(list);
//元素交换，并打印交换后的集合
Collections.swap(list， 2，3);
//打印集合中最大的的元素的角标
Collections.max(list);
//二分查找，查找前必须排序,如果没有找到就返回负数。Collections.sort(list);
collections.binarySearch( list, "aqwc" );
//填充，也就是把集合中所有的元素替换成新的元素
Collections.fiLL(list， "159");
//反转
Collections.sort(list, new StrLengthCompareator());collections.sort(list, collections.reverseOrder(new StrLengthCompareator()));
//同步
collections.synchronizedList(list);
//随机
Collections.shuffLe(list);

2、Arrays

//排序 : 
sort(arr);
//查找 : 
binarySearch(arr);
//比较: 用于比较两个数组元素是否数量相同，并且相同位置的元素是否相同。 另外，如果两个数组引用都是null，则它们被认为是相等的 。
equals(arr);
//填充 : 
fill(arr);
//转列表:  定长 不可添加删除新元素
arr.asList();
//转字符串 :
arr.toString();
//复制: 
copyOf();
//替换：jdk1.8之后新加方法
arr.replaceAll(UnaryOperator<E> operator)——>arr.replaceAll(a->a.equals("ss")?"张三":a);
//流处理：jdk1.8之后的新特性  新方法
stream();

3、各种转换

• 数组和集合之间的互转

  /**
  *数组转集合
  */
  String[] array = new String[] {"zhu", "wen", "tao"};
  // 只用于遍历
  List<String> mlist = Arrays.asList(array);
  //可以使用add() remove()方法
  List<String> list = new ArrayList<String>(Arrays.asList(array));
  //或者
  List<String> list1 = new ArrayList<String>(array.length);
  Collections.addAll(list, array);
  
  
  /**
  *集合转数组
  */
  String[] array = mlist.toArray(new String[0]);
  
  

这部分资料整理比较早，当时从多个地方借鉴了资料，现在不好找回，如有相似联系删除修改。