Java集合框架体系

Java集合类主要由两个接口Collection和Map派生出来的，Collection有三个子接口：List、Set、Queue。

• Collection：最基本的集合接口，代表一组元素的集合。
  • List：代表有序的、可重复的元素。
  • Set：代表不可重复的的集合。
  • Queue： 代表队列
• Map：存储键值对的集合，键不允许重复。

List 、Set、Queue、Map的区别

• List：

  • 基于索引的集合，可以包含重复的元素。
  • 支持元素的有序存储，即元素插入的顺序就是它们在列表中的顺序。
  • 允许对元素进行快速随机访问。
  • 常见的实现类有 ArrayList、LinkedList

• Set:

  • 不包含重复元素的集合。
  • 通常不保证元素的顺序，或者保证元素按照某种规则排序（如 TreeSet）。
  • HashSet 是基于哈希表实现的，不保证元素顺序；LinkedHashSet 维护元素插入的顺序；TreeSet 则根据元素的自然顺序或构造时提供的比较器对元素进行排序。
  • 常见的实现类有 HashSet、LinkedHashSet 和 TreeSet。

• Queue：

  • 队列是一种特殊的集合，主要用于维护元素的顺序。通常按照先进先出（FIFO）的原则进行元素的插入和移除。
  • 支持元素的插入和移除操作，如 offer、poll、peek 等
  • 常见的实现类有LinkedList（先进先出FIFO）、PriorityQueue（优先队列）和 ArrayDeque。

• Map

  • 存储键值对的集合，每个键最多只能映射到一个值。
  • 键必须唯一，而值可以重复。
  • 不保证元素的顺序，或者可以按照键或值的某种规则排序（如 TreeMap）。
  • 常见的实现类有 HashMap、LinkedHashMap、TreeMap

ArrayList与LinkedList的区别

1.底层数据结构：ArrayList基于动态数组实现；LinkedList基于（双向）链表实现。
2.随机索引访问：ArrayList的速度要优于LinkedList。因为ArrayList直接通过数组下标直接找到元素；LinkedList要移动指针遍历每个元素直到找到为止。
3.新增和删除元素：LinkedList的速度要优于ArrayList。因为ArrayList在新增和删除元素时，可能移动其它元素、扩容和复制数组；LinkedList除了实例化对象需要时间外，只需要修改指针即可。（LinkedList新增删除元素比ArrayList快的两个前提：1 往集合中间插入数据时ArrayList比linkedList慢 2 ArrayList正好扩容的时候添加数据要比LinkedList慢）
4.内存占用：ArrayList占用比LinkedList小，因为LinkedList的每个元素都需要存储额外的指针（prev 和 next）
5.线程安全：ArrayList与LinkedList都是非同步的，说明是非线程安全的，

特性	ArrayList	LinkedList
内部结构	动态数组（基于数组实现）	双向链表（基于链表实现）
随机访问	快（O(1) 时间复杂度）	慢（O(n) 时间复杂度，需要遍历链表）
添加/删除	可能慢（特别是需要扩容时）	快（O(1) 时间复杂度，但在链表中间较慢）
内存占用	相对较小	相对较大（每个元素都需要额外的内存来存储指针）
扩容机制	当数组容量不足时自动扩容（JDK8，1.5倍）	不需要扩容
迭代器	快速且轻量级	相对较慢且占用更多内存
适用场景	频繁的随机访问	频繁的插入和删除操作

Arraylist 和 Vector 的区别

ArrayList在内存不够时，默认是1.5被扩展，Vector是默认扩展1倍。
ArrayList是非同步的。Vector是同步的，属于线程安全级别的。由于 Vector 的同步机制，它在性能上通常比 ArrayList 慢。
通常建议使用 ArrayList，因为它提供了更好的性能，并且在需要线程安全时，可以通过Collections.synchronizedList() 方法或使用 CopyOnWriteArrayList 类来实现。

HashMap

HashMap是一个散列表，它存储的内容是键值对(key-value)映射，根据键的HashCode值存储数据。HashMap 使用数组+链表+红黑树（JDK1.8增加了红黑树部分）实现的， 链表长度大于8（TREEIFY_THRESHOLD）时，会把链表转换为红黑树，红黑树节点个数小于6（UNTREEIFY_THRESHOLD）时才转化为链表，防止频繁的转化。

• 哈希表

  哈希表也称为散列表，是一种通过哈希函数将键（Key）映射到表中一个位置以便快速访问记录的数据结构。

• hash算法

  在HashMap 实现中，hash算法是用来计算键的哈希码并将其映射到内部数组的索引上。以下是其核心：

  • 第一步，获取key的hash

    h = key.hashCode()

  • 第二步，计算hashmap的hash

    hash =(h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16)

  • 第三步，计算槽位（数组下标）。n是Node<K,V>[] table哈希桶数组的长度。

    i = (n - 1) & hash

示例：
hashcode是int型。提前了解，十进制转二进制，位运算符。

假设
第一步：h=10，
第二步：hash=10^(10>>>16)。

>>>是无符号右移运算。10的二进制是0000000000000000 0000000000001010。那么10>>>16，右移16位意味着丢弃最低的16位，结果是0。
^是异或运算，10^0结果还是10。

第三步：i = (n - 1) & hash

&是与运算。n默认是16。i=(16-1)&10结果是10。

因为第二步是取hashcode丢弃最低的16位的结果与hashcode进行按位异或运算，所以又被称为高16位运算。
因为10&(16-1)=10%16，所以第三步又被称为取模运算。
计算机中直接求余效率不如位移运算，hash%length==hash&(length-1)的前提是length是2的n次方，能均匀分布减少碰撞。

源码解析可以查看HashMap的put方法

• 扩容机制（请阅读HashMap的resize方法）

  • 数组扩容
    当hashmap中的元素超过阈值（当前容量与负载因子的乘积），触发扩容。
    通过创建一个2倍当前容量的新数组，替换原数组来完成扩容。
    在此过程中需要重新计算每个键的哈希值，键值对需要重新映射。

  • 链表扩容
    当链表长度超过一定阈值（TREEIFY_THRESHOLD，默认为8）时，链表会被转换为红黑树。
    当红黑树节点个数小于6（UNTREEIFY_THRESHOLD）时，红黑树会被转化为链表。

• 红黑树

  红黑树是一种自平衡的二叉查找树，但在每个结点上增加一个存储位表示结点的颜色，可以是Red或Black。 通过对任何一条从根到叶子的路径上各个结点着色方式的限制，红黑树确保没有一条路径会比其他路径长出俩倍，因而是接近平衡的。它具有以下特性:

  1.节点颜色：每个节点要么是红色，要么是黑色。
  2.根节点：根节点是黑色的。
  3.叶子节点：所有叶子节点（NIL节点，空节点）都是黑色的。
  4.红色节点的子节点：每个红色节点的两个子节点都是黑色的（不能有两个连续的红色节点）。
  5.路径黑色节点数：从根节点到任意叶子节点的路径上，黑色节点的数量相同。

  可结合HashMap里的TreeNode类理解。

HashMap和HashTable的区别

HashMap 和 Hashtable 都是 Java 中用于存储键值对的集合类，以下是它们的一些区别：

• 继承关系：

  • Hashtable 继承自 Dictionary 类，而 Dictionary 类是 Java 的早期版本中的一个类，现在已经不推荐使用。
  • HashMap 继承自 AbstractMap 类

• 线程安全性：

  • Hashtable 是线程安全的，它的所有公共方法都是同步的，这意味着在多线程环境中，Hashtable 可以安全地使用而不需要额外的同步措施。
  • HashMap 是非线程安全的，如果在多线程环境中使用，需要外部同步或者使用 Collections.synchronizedMap 方法来包装它。

• null 键和值：

  • Hashtable 不允许使用 null 作为键或值。
  • HashMap 允许使用一个 null 键和多个 null 值。

在实际应用中，由于 HashMap 提供了更好的性能和更灵活的使用方式，它通常是首选的 Map 实现。如果需要线程安全的 Map 实现，可以使用 ConcurrentHashMap，它是 Java 并发包中的一个线程安全 Map 实现，或者使用 Collections.synchronizedMap 方法来包装一个 HashMap。

HashMap与ConcurrentHashMap的区别

ConcurrentHashMap 和 HashMap 都用于存储键值对，以下是它们的以下区别：

• 线程安全性

  • ConcurrentHashMap 是线程安全的
  • HashMap 是非线程安全的

HashSet

HashSet 实现了 Set 接口，它不允许集合中有重复的元素，并且不保证集合的迭代顺序；

以下是 HashSet 的一些关键特性：

• 不允许重复：

  HashSet 保证集合中每个元素都是唯一的。尝试添加已存在的元素将不会被添加。

• 无序：

  HashSet 不保证元素的顺序，这意味着每次迭代 HashSet 时元素的顺序可能不同。

• 基于哈希表：

  HashSet 内部使用哈希表实现，这使得添加、删除和查找元素的操作通常具有常数时间复杂度（即 O(1)）。

• 非同步：

  HashSet 是非线程安全的。在多线程环境中，如果需要线程安全，可以使用 Collections.synchronizedSet 方法将其包装，或者使用 ConcurrentHashMap 作为替代。

当需要迭代顺序一致时，不应该使用 HashSet，而应该使用 LinkedHashSet。

TreeSet

TreeSet 实现了 Set 接口，它不允许集合中有重复的元素，并且保证了元素处于排序状态。TreeSet 基于红黑树（一种自平衡的二叉搜索树）实现，这使得它能够提供有序的数据集合。

以下是 TreeSet 的一些关键特性和用法：

• 不允许重复：

  TreeSet 不允许插入重复的元素。如果尝试添加已存在的元素，该元素不会被添加。

• 有序：

  TreeSet 保证了元素的迭代顺序是有序的，这使得它适合需要有序数据的场景。

• 性能：

  TreeSet 的查找、插入和删除操作通常具有 O(log n) 的时间复杂度，其中 n 是集合中的元素数量。

• 线程安全性：

  TreeSet 是非线程安全的。在多线程环境中，如果需要线程安全，可以使用 Collections.synchronizedSortedSet 方法将其包装，或者使用 ConcurrentSkipListSet。

TreeMap

TreeMap 实现了 Map 接口，它存储键值对并保证了键处于排序状态。TreeMap 基于红黑树（一种自平衡的二叉搜索树）实现，这使得它能够提供有序的数据集合。

以下是 TreeMap 的一些关键特性和用法：

• 不允许重复键：

  TreeMap 不允许插入重复的键。如果尝试添加已存在的键，那么旧的值将被新的值替换。

• 有序：

  TreeMap 保证了键处于有序状态，并且保证了元素的迭代顺序是有序的，这使得它适合需要有序数据的场景。

• 性能：

  TreeMap 的查找、插入和删除操作通常具有 O(log n) 的时间复杂度，其中 n 是映射中的元素数量。

• 线程安全性：

  TreeMap 是非线程安全的。在多线程环境中，如果需要线程安全，可以使用 Collections.synchronizedMap 方法将其包装。

参考

• Java集合框架体系
• Java集合面试题
• Java常见集合总结
• Java集合框架全面解析
• 菜鸟教程：Java集合
• java集合框架综述
• ArrayList 和 LinkedList 的真正区别
• Java 8的 HashMap 设计与实现
• HashMap理解
• 深入理解HashMap(四): 关键源码逐行分析之resize扩容