JAVA集合

 

 

 

Java 容器分为 Collection 和 Map 两大类，Collection集合的子接口有Set、List、Queue三种子接口。我们比较常用的是Set、List，Map接口不是collection的子接口。

Collection集合主要有List和Set两大接口

List：一个有序（元素存入集合的顺序和取出的顺序一致）容器，元素可以重复，可以插入多个null元素，元素都有索引。常用的实现类有 ArrayList、LinkedList 和 Vector。

Set：一个无序（存入和取出顺序有可能不一致）容器，不可以存储重复元素，只允许存入一个null元素，必须保证元素唯一性。Set 接口常用实现类是 HashSet、LinkedHashSet 以及TreeSet。

Map是一个键值对集合，存储键、值和之间的映射。 Key无序，唯一；value 不要求有序，允许重复。Map没有继承于Collection接口，从Map集合中检索元素时，只要给出键对象，就会返回对应的值对象。

Map 的常用实现类：HashMap、TreeMap、HashTable、LinkedHashMap、ConcurrentHashMap

 

 

ArrayList

 

 

ArrayList是一个有序、可重复、有索引的数据结构，线程不安全，底层是动态数组，查询效率高，非尾的增加和删除效率低于LinkedList，因为涉及数组数据的迁移或者扩容缩容

ArrayList的默认容量是10，扩容倍数是1.5倍，扩容的触发机制是 当前元素数 + 1 > 当前容量.

ArrayList的倍数1.5倍主要有两个原因

1.空间效率：太小会频繁扩容，态度会造成空间浪费。
2.计算效率：通过位运算 oldCapacity + (oldCapacity >> 1) 实现，右移一位相当于除以2，计算速度快

 

Vector

Vector是线程安全的，其所有公共方法都使用synchronized关键字修饰，确保多线程环境下的数据一致性
Vector默认初始容量为10，扩容策略为原容量的2倍（newCapacity = oldCapacity * 2）

 

LinkedList

 

底层是双向链表，可进行头插和尾插，新增和删除的效率高，但是查询的时候需要一个一个遍历，可用于实现堆栈、队列。

 

CopyOnWriteArrayList

 

CopyOnWriteArrayList是一个线程安全的集合，适合读多写少的场景，读的时候不进行加锁，写的适合会加ReentrantLock，基于volatile修饰的Object[]数组实现，volatile确保数组引用的修改对所有线程立即可见。

CopyOnWriteArrayList为什么用ReentrantLock而不用Synchronized

ReentrantLock提供了比synchronized更精细的锁控制能力，它支持公平锁和非公平锁两种模式，ReentrantLock提供了tryLock()方法，可以尝试获取锁而不阻塞，如果获取失败可以立即返回，这种机制在某些高并发场景下很有价值。

 

HashSet

HashSet是无序的不运行重复，最多存储一个NULL元素，查询效率高，非线程安全，查询时是根据key的hashCode进行寻址，底层是基于HashMap实现的，HashSet的元素的HashMap的key,而HashMap的value是new Object()。
其扩容因子是0.75，扩容倍数是2倍，底层是数组+链表+红黑树，这些都同HashMap

 

TreeSet

TreeSet、具有自动排序和去重的特性，TreeSet的底层完全依赖于TreeMap，TreeSet的元素的TreeMap的key,而TreeMap的value是new Object()。TreeSet创建的时候可以进行自定义排序，如果不自定义的话会默认按照Unicode排序。

 

CopyOnWriteArraySet‌

基于写时复制机制，适合读多写少的场景。底层使用ReentrantLock保证写操作的线程安全，读操作完全无锁，性能优异

 

ConcurrentSkipListSet‌

基于跳表实现的有序线程安全Set，适合需要排序的高并发场景。

 

 

HashMap

 

 

HashMap是键值对结构，无序、元素唯一，允许null作为键值，非线程安全，put的时候会根据对key进行哈希值计算数组下标。扩容因子是0.75，扩容倍数是2
JDK1.7底层是数组+链表，key的哈希计算是进行4次位运算和5次异或运算的复杂哈希计算
JDK1.8底层是数组+链表+红黑树，key的哈希是进行一次1次位运算和1次异或运算，显著提升了计算效率

 

HashMap为什么使用数组+链表+红黑树结构

 

主要是为了在‌解决哈希冲突‌和‌保证查询效率‌之间达到最佳平衡，当有hash冲突的时候会在数组下形成链表，当链表长度大于8的时候会转化为红黑树，当红黑树元素小于6的时候会转换为链表。

 

HashMap的链表和红黑树转换为什么是8呢

主要是基于空间和查询效率的平衡，如何链表过长会影响查询效率，如果链表过短就转化为红黑树，在数据存储的时候红黑树要进行颜色调整和旋转操作也会耗时。
根据泊松定理计算，在Hash联想的情况下链表达到8的几率很低，为千万分之六‌。

HashMap的扩容倍数为什么是2倍

HashMap选择2作为扩容倍数，主要基于‌计算效率、元素分布和扩容性能‌的综合考量。

‌计算效率：当扩容倍数是2的时候哈希值计算的时候（hash%容量）可转换为(hash & (容量- 1))这个位运算比取模操作快得多。

元素分布：2的幂次容量确保哈希值的低位能充分利用，让元素均匀分布在整个数组中，显著减少哈希冲突。
扩容性能‌：每次扩容倍数都是2的话可以让二进制的高低位参与运算，扩容后要么是原位置不变，要么是原位置+上扩容容量。（检查哈希值对应的新增高位是0还是1：如果是0，位置不变；如果是1，位置变为原索引+原容量。这样只需移动一半的数据，效率极高）

Hashmap的扩容因子为什么是0.75

 

HashMap的负载因子设为0.75，是‌空间利用率和时间效率之间的最佳平衡点‌，

负载因子过大（如0.9）‌：扩容次数减少，内存利用率高，但哈希冲突概率显著增加，导致查询性能下降
‌负载因子过小（如0.5）‌：哈希冲突减少，查询效率高，但会导致频繁扩容和内存浪费

根据泊松分布，当负载因子为0.75时，链表长度达到树化阈值8的概率极低，为千万分之六‌。

HashMap的查询顺序和插入顺序一样吗

 

不一样，HashMap存储的时候是根据key进行哈希计算出存储的位置，元素是散列在数组上的，而查询是按照数组的顺序查询的，所有查询的顺序和插入顺序不一致，另外扩容后元素的值也会被重新计算。

Hashtable

 

 

 

Hashtable是一个线程安全的集合，Hashtable的操作都会使用synchronized关键字进行加锁来确保数据安全，底层是数组+链表，不允许key和value为空。

TreeMap

TreeMap是有序，元素唯一，允许值为空，不允许键为空，底层是红黑数实现，创建的时候可以实现自定义排序，如果不实现按照Unicode码排序。

 

ConcurrentHashMap

 

JDK1.7：底层是数组+链表，使用分段锁机制，采用分段锁策略，默认由16个 Segment 组合而成，其中 Segment 可以看成一个 HashMap， 不同点是 Segment 继承自 ReentrantLock，在进行数据操作的时候会锁住对应是Segment，不同Segment的并发写入。

 

 

JDK1.8：底层是数组+链表+红黑树，使用CAS+synchronized关键字来实现线程安全，数据写入的时候锁定是对应是数组节点，相比JDK1.7锁的粒度更细，并发性更高