集合

常用集合

✔ List (对付顺序的好帮⼿)： 存储的元素是有序的、可重复的。
✔ Set (注重独⼀⽆⼆的性质): 存储的元素是⽆序的、不可重复的。
✔ Map (⽤ Key 来搜索的专家): 使⽤键值对（kye-value）存储，类似于数学上的函数 y=f(x)，“x”代表 key，"y"代表 value，Key 是⽆序的、不可重复的，value 是⽆序的、可重复 的，每个键最多映射到⼀个值。

List集合

• 特点

  • 允许重复项的有序集合

• 分类

  • list 集合又大致分为 ArrayList 和 LinkedList ，还有就是 Vector 集合。

    名称	底层数据结构	添加	删除	查询	线程安全	扩容
    Vector	数组	快	快	慢	安全	一倍
    ArrayList	数组	慢	慢	快	不安全	一半
    LinkedList	链表	快	快	慢	不安全	无需扩容

• 比较

  • Vector集合 相比于 ArrayList 集合
    • 其线程是安全的，但其效率不如 ArrayList 。
      • 为什么不推荐使用 Vector 集合 ？
      • 因为 Vector 是线程安全的，每个可能出现线程安全的方法上加了synchronized关键字，所以效率低。（ps:然而这样并没有很好的解决线程安全问题）
        • 因为在判断是否包含某元素后，会释放锁，在不包含的情况下，执行add之前，锁很有可能会被抢占。
  • LinkedList集合 相比于 ArrayList 集合
    • ArrayList基于动态数组实现的非线程安全的集合；LinkedList基于链表实现的非线程安全的集合。
    • 对于随机index访问的get和set方法，一般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。
    • 新增和删除元素，一般LinkedList的速度要优于ArrayList。
      • 因为ArrayList在新增和删除元素时，可能扩容和复制数组；LinkedList实例化对象需要时间外，只需要修改指针即可。
    • LinkedList 集合不支持 高效的随机随机访问（RandomAccess）
    • ArrayList的空间浪费主要体现在在list列表的结尾预留一定的容量空间，而LinkedList的空间花费则体现在它的每一个元素都需要消耗相当的空间。

Map集合

• 特点

  • 键值对集合
  • Map集合的key集合就是 Set 集合。所以Map集合中的key是不可重复的，而value是可重复。

• 分类

  • Map 集合大致分为 HashMap 、HashTable 和 TreeMap 。

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  • HashMap

    • 底层数据结构
      • JDK1.8 之前是 数组和链表，JDK1.8 之后 是 数组和链表+红黑树
    • 基于
      • HashMap实现了Map接口，继承AbstractMap类，它是基于哈希表的 Map 接口的实现(保证键的唯一性)
    • 键值对
      • 允许存在一个为null的key和任意个为null的value。
    • 扩容
      • 初始容量为 16，hashMap扩容时 新容量 = 旧容量 * 2

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  • HashTable

    • 底层数据结构
      • 数组+链表
    • 基于
      • 出现于 JDK1.0，HashTable基于 Dictionary 类。
    • 键值对
      • key和value都不允许为null
    • 扩容
      • 初始容量为11，hashtable扩容时 新容量 = 旧容 * 2+1
    • 线程安全
      • Hashtable是同步的，所有的读写操作都进行了锁保护，是线程安全的。

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  • TreeMap

    • 底层数据结构

      • 红黑树

    • 基于

      • 基于红黑树（Red-Black tree）的 NavigableMap实现。该映射根据其键的自然顺序进行排序，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。

    • 键值对

      • 当未实现 Comparator 接口时，key 不可以为null，否则抛 NullPointerException 异常；
      • 当实现 Comparator 接口时，若未对 null 情况进行判断，则可能抛 NullPointerException 异常。如果针对null情况实现了，可以存入，但是却不能正常使用 get() 访问，只能通过遍历去访问。

    • 扩容

      • 无需扩容

Set集合

• 特点

  • 一个不包含重复项的集合（官方解释）
    • 有序与无序取决于其底层数据结构

• 分类

  • set 集合大致分为 HashSet 和 TreeSet

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  • HashSet

    • 底层数据结构
      • HashSet的底层通过 HashMap 实现的，而 HashMap 在1.7之前使用的是数组+链表实现，在1.8+使用的数组+链表+红黑树实现。
    • 基于
      • 通过 HashMap 实现
    • 值
      • 允许有一个为 null 的元素
    • 扩容
      • 初始容量为 16，hashMap扩容时 新容量 = 旧容量 * 2

  • TreeSet

    • 底层数据结构
      • 和 TreeMap 数据结构都是红黑树
    • 基于
      • 通过 TreeMap 实现
    • 值
      • 不允许为null的元素
    • 扩容
      • 无需扩容

集合扩展

1. CurrentHashMap类

• 数据结构

  • 取消了Segment分段锁的数据结构，取而代之的是数组+链表+红黑树的结构。

• 保证线程安全机制

  • JDK1.7 采用 segment 的分段锁机制实现线程安全，其中 segment 继承自 ReentrantLock 。
  • JDK1.8 采用 CAS + Synchronized 保证线程安全。

• 锁的粒度

  • 原来是对需要进行数据操作的 Segment 加锁，现调整为对每个数组元素加锁（Node）。

• 链表转化为红黑树

  • 定位结点的 hash 算法简化会带来弊端, Hash 冲突加剧,因此在链表节点数量大于8时，会将链表转化为红黑树进行存储。

• 查询时间复杂度

  • 从原来的遍历链表O(n)，变成遍历红黑树O(logN)。

分段锁原理

• 底层采用：Segments 数组 + HashEntry 数组 + 链表

• 原理

• ConcurrentHashMap 是由 Segment 数组结构和 HashEntry 数组结构组成。

• Segment 是一种可重入锁 ReentrantLock ，在 ConcurrentHashMap 里扮演锁的角色，HashEntry 则用于存储键值对数据。

• 一个 ConcurrentHashMap 里包含一个 Segment 数组，Segment 的结构和 HashMap 类似，是一种数组和链表结构， 一个 Segment 里包含一个HashEntry 数组，每个 HashEntry 是一个链表结构的元素， 每个 Segment 守护着一个 HashEntry 数组里的元素,当对 HashEntry 数组的数据进行修改时，必须首先获得它对应的 Segment 锁。

• get操作：

  • Segment的 get操作 实现非常简单和高效，
  • 先经过一次再散列
  • 然后使用这个散列值通过散列运算定位到 Segment
  • 再通过散列算法定位到元素。
  • get操作的高效之处在于整个get过程都不需要加锁，除非读到空的值才会加锁重读。（原因就是将使用的共享变量定义成 volatile 类型）。

• put操作：

  1. 当执行put操作时，会经历两个步骤：
  2. 判断是否需要扩容；
  3. 定位到添加元素的位置，将其放入 HashEntry 数组中。

CAS + Synchronized 原理

• 底层采用：Node数据+链表+红黑树

• 原理

  • 读操作无锁 :

    • Node的 val 和 next 使用 volatile 修饰,读写线程对该变量互相可见
    • 数组用 volatile 修饰,保证扩容时被读线程感知

  • get() 操作：

    • get 操作全程无锁。get 操作可以无锁是由于 Node 元素的 val 和指针 next 是用 volatile 修饰的。

    • 在多线程环境下线程A修改节点的 val 或者新增节点的时候是对线程B可见的。

    • 流程

      1. 计算hash值，定位到Node数组中的位置

      2. 如果该位置为null，则直接返回null

      3. 如果该位置不为null，再判断该节点是红黑树节点还是链表节点

         • 如果是红黑树节点，使用红黑树的查找方式来进行查找

         • 如果是链表节点，遍历链表进行查找

  • put() 操作：

    1. 先判断Node数组有没有初始化，如果没有初始化先初始化initTable();

    2. 根据key的进行hash操作，找到Node数组中的位置，如果不存在hash冲突，即该位置是null，直接用CAS插入

    3. 如果存在hash冲突，就先对链表的头节点或者红黑树的头节点加synchronized锁

    4. 如果是链表，就遍历链表，如果key相同就执行覆盖操作，如果不同就将元素插入到链表的尾部， 并且在链表长度大于8， Node数组的长度超过64时，会将链表的转化为红黑树。

    5. 如果是红黑树，就按照红黑树的结构进行插入。

2. Map原理

• 

• 会根据key获取到hashcode，再通过桶算法获取到对应的下标。

• 链表的每个节点由key和value组成节点，红黑树的每个节点也是由key和value组成的。

• 链表长度超过8以后，就会转换为红黑树。

  • 趋*于*衡二叉树，其次采用红黑树的特点，减低了左旋和右旋操作。

PUT操作

• HashMap的容量size乘以负载因子[默认0.75] = threshold; // threshold即为开始扩容的临界值

基本流程

• 判断数组是否存在，不存在就调用resize方法（扩容方法），建立一个数组。
• 存在，根据key计算index值，然后插入元素。
• 插入元素后，需要判断容量是否等于临界值（也就是当前容量上限乘以负载因子）。
• 等于临界值时，则会触发扩容。

插入流程

扩容

• 扩容条件
  • 第一次创建数组，也会调用扩容方法。
  • 容量上限乘以负载因子[默认0.75] = threshold; map的size等于临界值时就会触发扩容方法。
• 扩容上限
  • 2^ {31}-1（Integer.MAX_VALUE）

3. LinkedHashMap 与 LinkedHashSet类

• LinkedHashMap

  • LinkedHashMap实现了Map接口，即允许放入key为null的元素，也允许插入value为null的元素。从名字上可以看出该容器是linked list和HashMap的混合体，也就是说它同时满足HashMap和linked list的某些特性。可将*LinkedHashMap*看作使用*Linked list*增强的*HashMap*

• LinkedHashSet

  • LinkedHashSet是对LinkedHashMap的简单包装，对LinkedHashSet的函数调用都会转换成合适的LinkedHashMap方法