java面试系列<2>——java容器

1、概览

容器主要包括Collection和Map两种，Collection存储着对象的集合，而map存储着键值对（两个对象）的映射表

Collection

1、set

• TreeSet：基于红黑树实现，支持有序操作，。查找效率不如HashSet，HashSet查找的时间复杂度为O(1)，TreeSet则为O(logN)。
• HashSet：基于哈希表实现，支持快速查找，但不支持有序性操作。并且失去元素的插入顺序信息，即遍历HashSet时候得到的结果是不确定的。
• LinkeHashSet：具有HashSet的查找效率，并且内部使用双向链表维护元素的插入顺序。

2、List

• ArrayList：基于动态数组实现，支持随机访问
• Vector：和ArrayList类型，但它是线程安全的。
• LinkedList：基于双向链表实现，只能顺序访问，但是可以快速地在链表中间插入和删除元素。不仅如此，LinkedList还可以用作栈、队列和双向队列。

3、Queue

• LinkedList：可以用它来实现双向队列
• PriorityQueue：基于堆结构实现，可以用它来实现优先队列。

Map

• TreeMap：基于红黑树实现。
• HashMap：基于哈希表实现。
• HashTable：和HashMap类似，但它是线程安全的，这意味着同一时刻多个县城同时写入HashTable不会导致数据不一致。遗留类，不应该使用，而是使用 ConcurrentHashMap 来支持线程安全，ConcurrentHashMap 的效率会更高，因为 ConcurrentHashMap 引入了分段锁。
• LinkedHashMap：使用双向链表来维护元素的顺序，顺序为插入顺序或者最近最少使用(LRU)顺序。

2、设计模式

迭代器模式：

Collection继承了Iterable接口，其中的iterator()方法能够产生一个Iterator对象，通过这个对象就可以迭代遍历Collection中的元素。

适配器模式

java.Util.Arrays.asList()可以把数组类型转换为List类型。

应该注意的是 asList() 的参数为泛型的变长参数，不能使用基本类型数组作为参数，只能使用相应的包装类型数组。

3、源码分析

ArrayList

1、概述

因为ArrayList是基于数组实现的，所以支持快速随机访问。

数组的默认大小为10.

private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;

2、扩容

添加元素时候使用ensureCapacityInternal()方法来保证容量足够，需要使用grow()方法进行扩容，新容量的大小为(oldCapacity+oldCapacity/2)。因此，新容量大约是旧容量的1.5倍左右。 （oldCapacity 为偶数就是 1.5 倍，为奇数就是 1.5 倍-0.5）。

扩容时候，需要调用操作Arrays.copyOf（）把原数组整个复制到新数组中，整个操作代价高，因此最好在创建ArrayList对象时候就指定大概的容量大小，减少扩容次数。

3、删除元素

需要调用System.arraycopy()将index+1后面的元素都复制到index位置上，该操作的时间复杂度是O(N)，因此ArrayList删除元素的代价是很高的。

Vector

它的实现与ArrayList类似，但是使用了synchronized进行同步。

public synchronized boolean add(E e) {
    modCount++;
    ensureCapacityHelper(elementCount + 1);
    elementData[elementCount++] = e;
    return true;
}

public synchronized E get(int index) {
    if (index >= elementCount)
        throw new ArrayIndexOutOfBoundsException(index);

    return elementData(index);
}

2、扩容

Vector的可以传入 capacityIncrement 参数,可以使在扩容时使容量增长 capacityIncrement 。如果这个参数值小于或等于0，扩容时每次扩容两倍。

3、与ArrayList的比较

• Vector是同步的，因此开销就比ArrayList大，访问速度更慢。最好使用ArrayList而不是Vector，因为同步操作可以由程序员控制。
• Vector每次扩容请求其大小2倍，而ArrayList是1.5倍。

4、替代方案

可以使用Collections.synchronizedList()；得到一个线程安全的ArrayList

List<String> list = new ArrayList<>();
List<String> synList = Collections.synchronizedList(list);

List<String> list = new CopyOnWriteArrayList<>();

CopyOnWriteArrayList

1、读写分离

写操作在一个复制的数组上进行，读操作是在原始数组，读写分离，互不影响。

写操作需要加锁，防止并发写入时导致写入数据丢失

写操作结束后需要把原始数组指向新的复制数组

2、适用场景

CopyOnWriteArrayList 在写操作的同时允许读操作，大大提高了读操作的性能，因此很适合读多写少的应用场景。

缺陷

• 内存占用：在写操作的同时需要复制一个新的数组，内存占用为原来的两倍
• 数据不一致：读操作不能读取实时性的数据，因为部分写操作的数据还未同步到读数组中。

所以CopyOnWriteArrayList不适合内存敏感以及对实时性要求很高的场景。

LinkedList

基于双向链表实现，使用Node存储链表节点信息。

与ArrayList比较

ArrayList基于动态数组实现，LinkedList基于双向链表实现。ArrayList和LinkedList的区别可以归结为数组和链表的区别：

• 数组支持随机访问，但插入删除的代价很高，需要移动大量元素
• 链表不支持随机访问，但插入删除只需要改变指针。

HashMap

内部包含了一个 Entry 类型的数组 table。Entry 存储着键值对。它包含了四个字段，从 next 字段我们可以看出 Entry 是一个链表。即数组中的每个位置被当成一个桶，一个桶存放一个链表。HashMap 使用拉链法来解决冲突，同一个链表中存放哈希值和散列桶取模运算结果相同的 Entry。

2、拉链法工作原理

• 新建一个 HashMap，默认大小为 16；
• 插入 <K1,V1> 键值对，先计算 K1 的 hashCode 为 115，使用除留余数法得到所在的桶下标 115%16=3。
• 插入 <K2,V2> 键值对，先计算 K2 的 hashCode 为 118，使用除留余数法得到所在的桶下标 118%16=6。
• 插入 <K3,V3> 键值对，先计算 K3 的 hashCode 为 118，使用除留余数法得到所在的桶下标 118%16=6，插在 <K2,V2> 前面。

应该注意到链表的插入是以头插法方式进行的，例如上面的 <K3,V3> 不是插在 <K2,V2> 后面，而是插入在链表头部。

查找需要分成两步进行：

• 计算键值对所在的桶；
• 在链表上顺序查找，时间复杂度显然和链表的长度成正比。

HashMap 允许插入键为 null 的键值对。但是因为无法调用 null 的 hashCode() 方法，也就无法确定该键值对的桶下标，只能通过强制指定一个桶下标来存放。HashMap 使用第 0 个桶存放键为 null 的键值对。

3、扩容

设 HashMap 的 table 长度为 M，需要存储的键值对数量为 N，如果哈希函数满足均匀性的要求，那么每条链表的长度大约为 N/M，因此查找的复杂度为 O(N/M)。

为了让查找的成本降低，应该使 N/M 尽可能小，因此需要保证 M 尽可能大，也就是说 table 要尽可能大。HashMap 采用动态扩容来根据当前的 N 值来调整 M 值，使得空间效率和时间效率都能得到保证。

4、扩容-重新计算桶下标

在进行扩容时，需要把键值对重新计算桶下标，从而放到对应的桶上。在前面提到，HashMap 使用 hash%capacity 来确定桶下标。HashMap capacity 为 2 的 n 次方这一特点能够极大降低重新计算桶下标操作的复杂度。

假设原数组长度 capacity 为 16，扩容之后 new capacity 为 32：

对于一个 Key，它的哈希值 hash 在第 5 位：

• 为 0，那么 hash%00010000 = hash%00100000，桶位置和原来一致；
• 为 1，hash%00010000 = hash%00100000 + 16，桶位置是原位置 + 16。

5、链表转红黑树

从JDK1.8开始，一个桶存储的链表长度大于等于8时会将链表转为红黑树。

6、与Hashtable的比较

• Hashtable使用synchronized来进行同步
• HashMap可以插入键为null的Entry
• HashMap是无序的

ConcurrentHashMap

ConcurrentHashMap 和 HashMap 实现上类似，最主要的差别是 ConcurrentHashMap 采用了分段锁（Segment），每个分段锁维护着几个桶（HashEntry），多个线程可以同时访问不同分段锁上的桶，从而使其并发度更高（并发度就是 Segment 的个数）。

LinkedHashMap

存储结构

继承自HashMap，因此具有和HashMap一样的快速查找特性。

内部维护了一个双向链表，用来维护插入顺序或者 LRU 顺序。

LinkedHashMap 最重要的是以下用于维护顺序的函数，它们会在 put、get 等方法中调用。

void afterNodeAccess(Node<K,V> p) { }
void afterNodeInsertion(boolean evict) { }

afterNodeAccess()

当一个节点被访问时，如果 accessOrder 为 true，则会将该节点移到链表尾部。也就是说指定为 LRU 顺序之后，在每次访问一个节点时，会将这个节点移到链表尾部，保证链表尾部是最近访问的节点，那么链表首部就是最近最久未使用的节点。

afterNodeInsertion()

在 put 等操作之后执行，当 removeEldestEntry() 方法返回 true 时会移除最晚的节点，也就是链表首部节点 first。

evict 只有在构建 Map 的时候才为 false，在这里为 true。