java集合

list set map 各自实现类的区别

• List（不唯一有序集合）

  set方法会替换index位置的元素，返回替换前的元素

  • ArrayList：底层是数组，支持随机访问，读快写慢，线程不安全。

    扩容策略：第一次为0，添加第一个元素后扩容为10，当满了之后扩容为(当前大小+当前大小 >> 1)，增长1.5倍，如10->15->22->33->...。只可自定义初始大小。

  • Vector：底层是数组，读快写慢，因为加了写锁，线程安全，但多线程效率低。默认扩容为原来的2倍，可自定义初始大小和扩容数量。

  • Linkedlist：底层是双向链表，读慢写快，线程不安全。

• Set（唯一无序集合）

  当用add方法添加元素时，set中已有是无法添加成功的，add返回false，否则返回true。

  • HashSet：底层是HashMap，都是存放链表的数组，允许有一个空值，值为PRESENT，线程不安全。
  • TreeSet：底层是TreeMap，TreeMap是红黑树实现的，既然用到了树，最大的特点就是有序的，支持自然排序和自定义排序，但因为树结构复杂所以较HashSet读快写慢。
  • LinkedHashSet：有序，和HashSet类似，但插入时是有序的，故较HashSet读快写慢。

• Map

  key-value形式组成Map.Entry对象的集合

  • HashMap

    1. 继承于AbstractMap，jdk1.2加入。

    2. 是个哈希表，Key-Value形式存储值，底层java8以前是数组+链表，java8以后若数组中元素数量大于8，就会将链表转成红黑树。

    3. 允许有一个null键。

    4. 线程不安全。多线程需要自己考虑同步机制。

       又想线程安全又想效率高？降低锁的粒度。把hashmap分为若干个段，分别加锁，提升效率。

    5. 只保留了containsKey和containsValue，移除了contains因为容易误解。

    6. 在获取元素时，确定元素(Entry)在桶中位置的hash值需要重新计算！然后利用hash值对桶长度取模确定位置。 HashMap中规定容量大小是2^n，因此可以用位运算代替了取模运算来确定元素在哪个桶中。具体计算：index=hash & (length-1) 。

       hash & (length-1)其实就是等价于 hash % length，但因为是位运算所以计算速度更快！但这个位运算前提是length必须是2^n，也是因为这个特性，所以HashMap要求桶大小必须为2的幂。

       java8中hash的计算方式：(key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >> 16);为了避免容量过小时，hash & (length-1) 造成 严重hash碰撞，导致散列分布不均匀，所以需要用到扰动函数。

       扰动函数：右位移16位，正好是32bit的一半，自己的高半区和低半区做异或，就是为了混合原始哈希码的高位和低位，以此来加大低位的随机性。而且混合后的低位掺杂了高位的部分特征，这样高位的信息也被变相保留下来。

       java7中hashMap利用的是indexFor函数来获取元素下标。

       hash具体计算过程：若是字符串直接返回字符串hashCode。否则先异或hashCode，再异或高20位和低12位的异或，最终再异或对结果高7位和低4位的异或 然后返回hash值。

    7. 初始化长度大小(也叫桶大小(桶里面元素叫bin))为16，一定是2的幂(因为get元素时要利用位运算!)。当超过0.75(loadFactor扩容系数为0.75)倍长度时进行扩容(新容量=当前容量<<1)。

       为啥是0.75？不是0.6？0.8？首先负载因子越小越不容易碰撞，因为能更快扩容，不能太小扩容太快，太大多碰撞。0.75正好，因为发现碰撞概率符合泊松分布，连碰8个概率很低，0.75以下概率太小了，以上又太大了，0.75是一个空间和效率的折中方案，经过了多年的测试和历练。

  • HashTable

    1. 继承于Dictionary，jdk1.0加入。
    2. 底层数据结构和HashMap底层一样。
    3. 键值都不允许为空。
    4. 加了写锁，是线程安全的，但效率较低。
    5. 有contains、containsKey和containsValue，contains和containsValue功能一样。
  6. 获取元素时，hash值直接就是对象的hashCode，然后对长度取模。此处直接用%运算符而不是位运算。
     7. 初始长度大小为11，扩容方式：old*2+1
  • TreeMap：是个有序集合，底层是红黑树，每个key-value都是红黑树的一个节点，根据Comparator或自然顺序确定在TreeMap中的位置。效率较HashMap慢，需要排序时才用TreeMap。

取模运算和取余运算的区别：

通常取模运算也称为取余运算。java中的其实是取余。当 x 和 y 的正负号一样的时候，两个函数结果是等同的；当 x 和 y 的符号不同时，rem 函数结果的符号和 x 的一样，而 mod 和 y 一样。

计算机取模运算其实开销较大，a%b：第一步先求商c=a/b，第二步求余 r=a-c*b。如果除数是2的幂，可以用 a & (b-1) 来优化，速度大大提升，因为在计算机内部 &运算开销是很小(几个时钟周期就能完成)的，但/除法或乘法的运算开销就较大(好几十个时钟周期才能完成除法运算)了。(n个机器节拍=n个时钟周期=1个状态周期，机器周期=2n个状态周期，指令周期=n个机器周期)。加减乘除需要的时钟周期。

HashMap为什么最大容量是2^30？

java中都是有符号数，int最大4字节32位，所以理论最大是2^{31-1（为什么要-1？如127二进制是01111111,128(2}7)是10000000，因为最高位是符号位，所以最大能表示正整数应该是2^{7-1）。但又因为对HashMap的容量大小要求是2的幂，所以就不能是2}31-1，因为不是2的幂，所以最大容量只能是2^30了。

HashMap扩容时，怎么确认链表中的元素的新位置

根据 e.hash & oldCap 来判断，若e.hash & oldCap==0，则说明在新数组中的位置没变；若e.hash & oldCap!=0，则说明位置变了，新位置=旧位置+oldCap。oldCap是原容量大小。

HashMap为什么不是线程安全？

因为没有加锁，HashMap的线程不安全主要体现在下面两个方面：

1. 在JDK1.7中，当并发执行扩容操作时会造成环形链和数据丢失的情况。

   1.7的transfer()扩容中重新定位每个桶的下标，并采用头插法将元素迁移到新数组中。头插法会将链表的顺序翻转，这也是形成死循环的关键点。而1.8中扩容移至resize()中，采用尾插法解决了死循环问题，但会有数据覆盖的问题。

2. 在JDK1.8中，在并发执行put操作时会发生数据覆盖的情况。