JAVA集合类概览
带着问题来阅读
1、Java有哪些集合
2、不同集合的应用场景分别是哪些
3、哪些实现类是线程安全的
4、为什么Java集合不能存放基本类型
5、集合的fail-fast和fail-safe是什么
Java集合概览
Java通过Java Collections Framework(JCF)为开发者提供了一系列集合接口和实现，所谓集合，就是多个Java对象的聚集。
学习过数据结构的同学们对各类集合的定义肯定不陌生，Java通过提供一系列的内置数据结构实现，为开发者提高了开发的便利性，提升了程序的兼容性，降低了编程的复杂性。
图片出自https://www.pdai.tech/md/java/collection/java-collection-all.html
Java集合包含两个顶层接口：Collection和Map，Collection是主要保存对象的集合，Map是保存键值对的集合。
下面我们对两类集合的实现做简单介绍。
Collection
Collection是Jdk1.2版本引入的接口，用于描述保存对象的集合，它的扩展接口有List、Queue、Set。
List
List以列表形式顺序存取元素，保证元素的插入顺序和存储顺序一致。
| 实现 | 线程安全 | |
|---|---|---|
| ArrayList | 数组 | 否 |
| LinkedList | 双向链表 | 否 |
| CopyOnWriteArrayList | 数组 | 是，使用CopyOnWrite保证线程安全 |
| Vector | 数组 | 是，使用Synchronized保证线程安全 |
| Stack | 数组 | 是，继承Vector |
Vector是Jdk1.0就引入的线程安全的列表实现，早于Collection接口设计，采用直接在方法上添加Synchronized来保证线程安全，Stack是继承Vector实现的栈结构，由于其线程安全的低效性，目前在实际环境均不再推荐使用。
Queue
Queue是先进先出的结构，从队尾加入元素，队头弹出元素。其子接口Deque为双端队列，即两头都可以进出。
| 实现 | 线程安全 | |
|---|---|---|
| ArrayDeque | 循环数组 | 否 |
| LinkedList | 链表 | 否 |
| PriorityQueue | 堆 | 否 |
| BlockingQueue | BlockingQueue为阻塞队列的扩展接口 | 是 |
由于BlockingQueue略为复杂，更涉及到一些进阶应用场景，留待后续讲解。
Set
Set是不重复元素集合，元素中不包含相同元素，且通常情况不保持元素插入顺序
| 实现 | 线程安全 | |
|---|---|---|
| HashSet | 哈希表 | 否，基于HashMap实现 |
| TreeSet | 红黑树 | 否，基于TreeMap实现 |
| LinkedHashSet | 哈希表+链表 | 否，基于LinkedHashMap实现 |
| CopyOnWriteArraySet | 数组 | 是，CopyOnWrite保证 |
| ConcurrentSkipListSet | 跳表 | 是，基于ConcurrentSkipListMap实现 |
Map
Map用于存储<Key, Value>键值对。
| 实现 | 线程安全 | |
|---|---|---|
| HashMap | 哈希表+红黑树 | 否 |
| TreeMap | 红黑树 | 否 |
| LinkedHashMap | 哈希表+链表+红黑树 | 否 |
| WeakHashMap | 哈希表 | 否 |
| ConcurrentHashMap | 哈希表+红黑树 | 是，基于节点CAS和Synchronized实现 |
| ConcurrentSkipListMap | 跳表 | 是 |
为什么Java集合不能存放基本类型
Java在1.2版本引入JCF框架，Java范型是在1.5版本引入，因此在泛型引入之前集合默认以Object作为存储类型。
以List为例
List list = new ArrayList();
list.add(123); // 自动boxing
list.add("123");
int num = (int) list.get(0);
String str = (String) list.get(1);
显而易见该方式存在缺陷，集合内可以放入任何以Object为基类的元素，而元素的获取方无法确定元素的具体类型，容易出现类型转换错误。在1.5版本引入范型以后，对集合接口进行规范，添加了范型参数，Java的泛型机制本质上还是将具体类型擦除为Object，因此泛型集合在初始化时，无法将参数指定为非Object派生的基本类型。
什么是fail-fast和fail-safe
List<String> list = new ArrayList();
list.add("123");
list.add("456");
//(1) throw ConcurrentModificationException
for (String s : list) {
list.remove(s);
}
//(2) 正常移除
Iterator<String> it = list.iterator();
while (it.hasNext()) {
it.next();
it.remove();
}
//(3) throw ConcurrentModificationException
new Thread(() -> {
for (String s : list) {
System.out.println(s);
try {
TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
} catch (InterruptedException ignore)
{
}
}
}).start();
new Thread(() -> {list.add("789");}).start();
上面这段代码，(1) (3) 会抛出ConcurrentModificationException，(2)可以正常移除所有元素。首先了解一下ConcurrentModificationException，当对一个对象做出的并发修改不被允许时，将抛出这个异常。
This exception may be thrown by methods that have detected concurrent modification of an object when such modification is not permissible.
那么(1)是单线程执行，(3)并发添加元素也并未对已有元素做修改，为什么也会触发该异常呢。
ArrayList var1 = new ArrayList();
var1.add("123");
var1.add("456");
Iterator var2 = var1.iterator();
while(var2.hasNext()) {
String var3 = (String)var2.next();
var1.remove(var3);
}
对代码(1)的class文件反编译查看，发现foreach实际上是通过Iterator做的迭代，迭代过程中删除是直接调用list.remove。我们再进入到list.iterator方法探个究竟。
/** Returns an iterator over the elements in this list in proper sequence.
* The returned iterator is fail-fast. */
public Iterator<E> iterator() {
return new Itr();
}
private class Itr implements Iterator<E> {
....
int expectedModCount = modCount;
....
final void checkForComodification() {
if (modCount != expectedModCount)
throw new ConcurrentModificationException();
}
}
iterator方法会创建一个Itr对象，在其创时会复制modCount到expectedModCount，每进行迭代时都会判断两个值是否相同，如果不同则抛出ConcurrentModificationException。
再来看modCount是一个继承自AbstractList的成员变量，用于记录list被修改的次数，每当调用add/remove时，modCount都会加1。
// The number of times this list has been structurally modified.
protected transient int modCount = 0;
那么问题就很明显了，每当对list进行修改modCount都会改变，而foreach的iterator记录的是迭代对象创建时刻的modCount值，接下来的迭代过程中，由于调用了list的修改方法，改变了其中modCount的值，导致modCount != expectedModCount，于是就抛出了异常。(3)代码是相同的问题，不再进行赘述。
* <p><a name="fail-fast"> * The iterators returned by this class's {@link #iterator() iterator} and * {@link #listIterator(int) listIterator} methods are <em>fail-fast</em>:</a> * if the list is structurally modified at any time after the iterator is * created, in any way except through the iterator's own * {@link ListIterator#remove() remove} or * {@link ListIterator#add(Object) add} methods, the iterator will throw a * {@link ConcurrentModificationException}. Thus, in the face of * concurrent modification, the iterator fails quickly and cleanly, rather * than risking arbitrary, non-deterministic behavior at an undetermined * time in the future.
在所有Java集合类中，直接位于java.util下除Vector、Stack、HashTable外，所有的集合都是fail-fast的，而在java.util.concurrent下的集合都是fail-safe的，即可以并发的遍历和修改集合，具体实现由各自的线程安全机制保证。
为什么需要fail-fast
fail-fast意为快速失败，在非线程安全的集合应用场景中，并发对集合做的添加/删除，可能导致另一个正在遍历集合的线程出现未知的错误如数组越界。因此非线程安全的集合实现引入fail-fast以此来快速中断线程，避免引发未知的连锁问题。
