保证线程安全的几种方式

# JAVA集合基础

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于 2021-05-07 23:20:43 首次发布

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# 前言

最近复习了一下数据结构，对数据结构有了更深了解，回头再来看一下集合相关知识就感觉豁然开朗，面试中集合也是必考题，便有了这篇集合总结，其中HashMap（包括部分源码分析）篇幅大概有6000+字，希望大家能耐心看完，看完后多少都会有一些收获。

# 数据结构

先来简单复习一下集合相关的数据结构。
一、数据结构的分类：
1.数据结构包括：逻辑结构和物理结构，其中逻辑结构稍复杂一些；
2.逻辑结构包括：线性结构（如顺序表、栈、队列）和非线性结构（如树、图）；
3.物理结构包括：顺序存储结构（如数组）、链式存储结构（如链表）。

二、集合数据结构：
1\. 数组：采用一段连续的存储单元来存储数据。对于指定下标的查找，时间复杂度为O(1)；通过给定值进行查找，需要遍历数组，逐一比对给定关键字和数组元素，时间复杂度为O(n)；
2.链表：对于链表的新增，删除等操作，仅需处理结点间的引用即可，时间复杂度为O(1)，而查找操作需要遍历链表逐一进行比对，复杂度为O(n);
3.二叉树：对一棵相对平衡的有序二叉树，对其进行插入，查找，删除等操作，平均复杂度均为O(logn)；
4.哈希表：在哈希表中进行添加，删除，查找等操作，性能十分之高，不考虑哈希冲突的情况下，仅需一次定位即可完成，时间复杂度为O(1)。

数据结构本篇不做详细说明，后续会有专题写相关的数据结构及算法。

# 集合框架图

Java 集合，也称作容器就是用来存放数据的，主要是由两大接口派生出来的Collection 和 Map，具体请看下图：
![](https://img-blog.csdnimg.cn/2021050523123525.jpeg?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzMyOTc5MjE5,size_16,color_FFFFFF,t_70#pic_center)

# Collection

collection主要存储单值类型的数据，主要的子接口有 list、set和queue（队列本篇不做介绍）。
操作集合，无非就是「增删改查」四大类，也叫 CRUD,这里对集合API就不做介绍了。

## List

主要特点是元素有序且元素可重复。

### 面试题：ArrayList、LinkList和Vector的区别？

ArrayList 底层是数组，查询效率是O(1) ，新增和删除效率是O(n)，查询效率高，线程不安全；
LinkList 底层是双向链表，查询效率是O(n)，新增和删除效率是O(1)，新增和删除效率高，线程不安全；
Vector 底层是数组结构，属于线程安全集合，使用频率较低。

## Set

主要特点是元素无序且元素不可重复。

### 面试题：HashSet和TreeSet的区别？

HashSet ：
1\. 数据结构底层是HashMap实现；
2\. 顺序性不能保证元素的排列顺；
3\. null元素元素可以为null，但只能存放一个null元素；
4\. 时间复杂度 add()，remove()，contains()方法的时间复杂度是O(1)。
TreeSet：
1\. 数据结构底层是treeMap（红黑树）实现；
2\. 顺序性元素是自动排好序的；
3\. null元素不能存放null元素；
4\. 时间复杂度 add()，remove()，contains()方法的时间复杂度是O(logn)。

# Map

主要存放键值对数据，本篇会重点介绍面试率极高的hashmap。

## HashMap

JDK1.7 Hashmap由数组和链表组成，JDK1.8做了主要做了2处有优化: 1. 数据结构变成了数组、链表和红黑树，解决是链表太长查询效率低问题；2. 在哈希冲突时头插法变成了尾插法，解决是在hashmap扩容时形成环形链表问题。
以下篇幅介绍的都是JDK1.8的hashmap。

```java
static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
final int hash;
final K key;
V value;
Node<K,V> next;
...
}
```

### HashMap数据结构

JDK 1.8 hashMap的数据结构图：
![在这里插入图片描述](https://img-blog.csdnimg.cn/20210507232829981.jpg?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzMyOTc5MjE5,size_16,color_FFFFFF,t_70#pic_center)

### 扩容条件

先看一下hashMap源码中几个关键的字段：

```java
/**实际存储的key-value键值对的个数*/
transient int size;

/**阈值，当table == {}时，该值为初始容量（初始容量默认为16）；当table被填充了，也就是为table分配内存空间后，
threshold一般为 capacity*loadFactory。HashMap在进行扩容时需要参考threshold，后面会详细谈到*/
int threshold;

/**负载因子，代表了table的填充度有多少，默认是0.75
加载因子存在的原因，还是因为减缓哈希冲突，如果初始桶为16，等到满16个元素才扩容，某些桶里可能就有不止一个元素了。
所以加载因子默认为0.75，也就是说大小为16的HashMap，到了第13个元素，就会扩容成32。
*/
final float loadFactor;

/**HashMap被改变的次数，由于HashMap非线程安全，在对HashMap进行迭代时，
如果期间其他线程的参与导致HashMap的结构发生变化了（比如put，remove等操作），
需要抛出异常ConcurrentModificationException*/
transient int modCount;
```

hashMap扩容条件：

1. 当集合容量超过了阈值（threshold）就会进行扩容；
2. 当链表长度>=8且数组长度小于64时，也会扩容。

```java
/**
* Replaces all linked nodes in bin at index for given hash unless
* table is too small, in which case resizes instead.
* 新增数据时链表长度大于8时会进行树化
*/
final void treeifyBin(Node<K,V>[] tab, int hash) {
int n, index; Node<K,V> e;
//树化时判断数组为空或数组长度 < MIN_TREEIFY_CAPACITY =64 则直接扩容
if (tab == null || (n = tab.length) < MIN_TREEIFY_CAPACITY)
resize();
else if ((e = tab[index = (n - 1) & hash]) != null) {
TreeNode<K,V> hd = null, tl = null;
do {
TreeNode<K,V> p = replacementTreeNode(e, null);
if (tl == null)
hd = p;
else {
p.prev = tl;
tl.next = p;
}
tl = p;
} while ((e = e.next) != null);
if ((tab[index] = hd) != null)
hd.treeify(tab);
}
}
```

### 扩容机制

1. 扩容：创建一个新的Entry空数组，长度是原数组的2倍；

```java
//hashmap扩容方法
final Node<K,V>[] resize() {
Node<K,V>[] oldTab = table;
//原数组不为空则原数组容量为 table.length
int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;
//原数组阈值
int oldThr = threshold;
//新数组容量和阈值都默认为 0
int newCap, newThr = 0;
//原数组容量大于0
if (oldCap > 0) {
//原数组容量大于等于最大容量 MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30 则直接返回
if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
threshold = Integer.MAX_VALUE;
return oldTab;
}
//设置新容量为旧容量的两倍
else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&
oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
//阈值也变为原来的两倍
newThr = oldThr << 1; // double threshold
}
...
```

2. 计算hash：index = HashCode（Key） & （Length - 1）；
3. ReHash：由于新数组的长度变了，则需要遍历原Entry数组，重新计算hash把所有的Entry重新Hash到新数组。

小结：可见在用hashMap时最好先计算好hashMap的容量，初始化带上容量大小，毕竟扩容是非常消耗性能的。

### 树化条件

树化必须同时满足2个条件：

1. 链表长度>=8 (binCount >=7 因为binCount 是从0开始算) ；

```java
//binCount 从0开始自增
for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
if ((e = p.next) == null) {
p.next = newNode(hash, key, value, null);
//当 binCount == 7时则树化并跳出循环
if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
treeifyBin(tab, hash);
break;
}
if (e.hash == hash &&
((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
break;
p = e;
}
```

2. 数组长度>=64(具体看以上treeifyBin源码分析);

### 数据查询

```java
/**
*
* @param hash 需要被获取元素的hash值
* @param key 需要被获取的元素
* @return 返回被需要到的元素,没有获取到则返回null
*/
final HashMap.Node<K, V> getNode(int hash, Object key) {
//临时变量储存table数组
HashMap.Node[] tab;
//临时变量获取第一个元素
HashMap.Node first;
//n为table的长度
int n;
// first = tab[n - 1 & hash]) 计算数组下标获取到数组上第一个node 且 node的key就是要查询key 则直接返回 node数组
if ((tab = this.table) != null && (n = tab.length) > 0 && (first = tab[n - 1 & hash]) != null) {
Object k;
//first元素存在,切first元素即锁需要查找的元素,直接返回first.
if (first.hash == hash && ((k = first.key) == key || key != null && key.equals(k))) {
return first;
}
//数组上的node不是查询目标且指向下一个node不为空
HashMap.Node e;
if ((e = first.next) != null) {
//判断node是否为红黑树
if (first instanceof HashMap.TreeNode) {
//按照红黑树方式去遍历
return ((HashMap.TreeNode)first).getTreeNode(hash, key);
}
//如果链表没有被树化,则使用链表的方式查询.
do {
//循环判断当前的临时变量e是否与所需元素相同
if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key != null && key.equals(k))) {
return e;
}
} while((e = e.next) != null);
}
}

return null;
}
```

通过分析源码查询过程可以分为3部分：

1. 计算hashCode 获取到数组上的node，且node.key==key则数组上的就是就是查询目标；
2. 是链表结构则按照链表方式遍历查询目标；
3. 是红黑树结构则按照红黑树方式遍历查询目标。

### 数据存储

先上源码：

```java
final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
boolean evict) {
Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
// 如果存储元素的table为空，则进行必要字段的初始化默认为16
if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
n = (tab = resize()).length;
// 如果根据hash值获取的node为空，则直接新增
if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
else {
Node<K,V> e; K k;
// 如果新插入的结点和table中p结点的hash值，key值相同的话
if (p.hash == hash &&
((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
e = p;
// 如果是红黑树结点的话，进行红黑树插入
else if (p instanceof TreeNode)
e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
else {
//如果不是红黑树则为链表按照链表方式插入 binCount从0开始自增
for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
// 代表这个单链表只有一个头部结点，则直接新建一个结点即可
if ((e = p.next) == null) {
p.next = newNode(hash, key, value, null);
// 当binCount>=7 即链表长度>=8时，将链表转红黑树
if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
treeifyBin(tab, hash);
break;
}
if (e.hash == hash &&
((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
break;
// 及时更新p
p = e;
}
}
// 如果存在这个映射就覆盖
if (e != null) { // existing mapping for key
V oldValue = e.value;
// 判断是否允许覆盖，并且value是否为空
if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
e.value = value;
// 回调以允许LinkedHashMap后置操作
afterNodeAccess(e);
return oldValue;
}
}
++modCount;
// 如果容量超过阈值则进行扩容
if (++size > threshold)
resize();
// 回调以允许LinkedHashMap后置操作
afterNodeInsertion(evict);
return null;
}
```

从以上源码分析hashMap数据存储也可简单分为4部分：

1. 在数组上计算hashCode的node为空则直接新增；
2. 获取的node不为空，如果是红黑树就按照红黑树方式插入；
3. 获取的node不为空，如果是链表则按照链表方式插入（会触发树化或扩容操作）；
4. 新增成功后，还需要判断数组容量是否有超过阈值，超过则需要扩容。

## 面试题：HashMap负载因子是多少？为什是这么多？

默认为0.75，这个是在时间和空间之间平衡的一个数值，负载因子是可以自定义的（不推荐）

## 面试题：HashMap和HashTable区别

1. 初始化容量 HashMap初始容量为16，HashTable初始容量为11（负载因子都相同）；
2. 线程安全 HashMap为非线程安全，HashTable为线程安全（get和put方法都用synchronized修饰，效率较差）；
3. 扩容容量 HashMap扩容时容量：capacity_2，HashTable扩容时容量：capacity_2+1
4. 遍历方式 HashMap仅支持Iterator的遍历方式，Hashtable支持Iterator和Enumeration两种遍历方式；
5. null值存储 HashMap中key和value都允许为null，HashTable在遇到null时，会抛出NullPointerException异常。

ps：一般问到hashMap就一定会问到currentHashMap，由于篇幅较长了下次会单独写一篇currentHashMap。

# 总结思维导图

![在这里插入图片描述](https://img-blog.csdnimg.cn/2021050722505317.jpg?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzMyOTc5MjE5,size_16,color_FFFFFF,t_70#pic_center)
最后奉上自己总结集合的思维导图，希望能帮助大家。

既然都看到最后了请帮忙一键三连哦！

posted @ 2021-11-28 20:15 ArielMeng 阅读(1394) 评论(0) 编辑收藏举报

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