Java8 容器类详解
| ArrayList | Vector | CopyOnWriteArrayList | LinkedList | HashMap | ConcurrentHashMap | LinkedHashMap | LinkedBlockingQueue | PriorityQueue | |
| 使用场景 | 随机访问 | ArrayList的线程安全版 | 读多写少，写加锁，写操作在复制的数组上进行，会导致数据不一致，存在 | 添加删除更快 | 映射 | 线程安全的HashMap | 保证插入次序或者LRU次序的HashMap | 链表实现的阻塞队列 | 优先队列，排序 |
| 底层实现 | 数组 | 数组 | 数组 | 双向链表 | 数组+链表/红黑树（链表长度大于8时） | 数组+链表/红黑树 | 数组+链表/红黑树，另外维护了一个双向链表 | 双向链表 | 堆 |
| 扩容 | 1.5倍 | 2倍 | 每次add操作都会将数组拷贝到len+1长的新数组中 | / | 2倍（rehash） | 2倍 | |||
| 线程安全 | 否，可以使用Collections.synchronizedList()得到线程安全的List | 是(synchronized) | 是(ReentrantLock) | 否 | 否 | 是（分段表/CAS+synchronized(jdk1.8之后)） | 否 | 是(ReentrantLock) | 否 |
| Fail-Fast | 是 | 是 | 否 | 是 | 是 | 否 | 是 |
1.Fail-Fast使用 protected transient int modCount = 0; 支持，modCount记录容器结构化修改次数。在操作的前后判断modCount是否改变，若改变则认为序列化或者使用迭代其期间容器被结构化修改，则抛出异常。
2.HashMap中使用的技巧：
- 求hash值：将key的hash值的高16位和低16位进行与运算，降低哈希碰撞
- 取模：y%x => y&(x-1)
- 扩容rehash计算桶下标：原容量的二进制位为0则位置不变，为1则位置+oldCap
- 当用户传入制定容量时，找到大于等于容量的最近的二进制数
一、ArrayList
public class ArrayList<E> extends AbstractList<E> implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable
ArrayList主要实现了List、RandomAccess接口。
ArrayList是List接口的可变大小数组的实现。实现所有可选链表操作，允许所有元素，包括null。除了实现了List接口之外，这个类还提供了操作用来内部存储链表的数组大小的方法（这个类大致等同于Vector，除了他是异步的以外）。
size()、isEmpty()、get()、set()、iterator()、listIterator()操作以恒定的时间运行。add()操作以O(n)的时间复杂度运行，其他的所有操作则以线性的时间运行（粗略的说）。常量因子相比与LinkedList较低。
每个ArrayList实例有一个capacity（容量）。capacity是用来存储链表元素的数组的大小。它总是至少和list大小一样大。当元素被加入到ArrayList后，它的capacity会自动扩容。除了增加一个元素有恒定的摊销时间成本之外，增长策略的细节未被指定。
在添加大量的元素之前，一个应用可以使用ensureCapacity()操作提高一个实例的capacity。这可以减少增量重分配的数量(This may reduce the amount of incremental reallocation)。
要注意的是ArrayList不是同步的。如果多线程并发的访问一个ArrayList实例，至少有一个线程会修改链表结构，必须在它的外部进行异步控制。（一个结构化的修改是指增加或删除一个或多个元素的操作，或者显式改变底层数组的大小；仅仅设置一个元素的值不是一个结构化的修改。）一个典型的实现是通过对某个对象的同步来自然封装这个链表。（This is typically accomplished by synchronizing on some object that naturally encapsulates the list.）
如果没有这种对象，这个链表则需要用Collections.synchronizedList()方法来封装。这最好是在创建的时候完成，以防止偶然的对链表的异步访问。
List list = Collections.synchronizedList(new ArrayList(...));
类的iterator()和listIterator(int)方法返回的迭代器都是fail-fast的：如果迭代器创建之后，链表在任意时刻被结构化的修改，除了迭代器自己的remove()、add()方法（迭代器自己的add()、remove()方法会将expectedModCount=modCount，因此不会触发异常，具体见方法分析），迭代器将抛出ConcurrentModificationException异常。因此，面对并发修改，迭代器将快速失败并清空，而不是在未来的不确定的时刻冒着任意的风险以及不确定的行为。
注意，迭代器的fail-fast行为不能被保证一定发生，通常来说，当异步并发修改发生时，不可能做出任何硬性保证。Fail-fast迭代器基于最大努力抛出ConcurrentModificationException异常。因此，这样的做法的是错的，写一个程序，依赖于这个异常来保证程序的正确性：迭代器的fail-fast行为应该只被用来检查bug（个人理解是如果发生并发修改，并不一定保证抛出ConcurrentModificationException异常，因此程序的正确性不应该依赖此异常）。
1.默认容量capacity
/** * Default initial capacity.
*/ private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
2.存储ArrayList元素的数组elementData
/** * The array buffer into which the elements of the ArrayList are stored. * The capacity of the ArrayList is the length of this array buffer. Any * empty ArrayList with elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA * will be expanded to DEFAULT_CAPACITY when the first element is added. */ transient Object[] elementData; // non-private to simplify nested class access
ArrayList的容量就是数组的长度。
任何elementData等于DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA的空ArrayList，当其第一个元素被添加进来时，elementData的长度将被扩展为DEFAULT_CAPACITY。
3.ArrayList包含元素的数量size
/** * The size of the ArrayList (the number of elements it contains). * * @serial
*/ private int size;
4.构造器
ArrayList包含三种构造器：
1.ArrayList()：将elementData初始化为空数组DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA。
2.ArrayList(int initialCapacity)：将element初始化为容量为initialCapacity的数组，当initialCapacity为0是，初始化为EMPTY_ELEMENTDATA
3.ArrayList(Collection<? extends E> c)：使用集合来初始化elementData，如果集合的length为0，则初始化为EMPTY_ELEMENTDATA。
/** * Constructs an empty list with the specified initial capacity. * * @param initialCapacity the initial capacity of the list * @throws IllegalArgumentException if the specified initial capacity * is negative */ public ArrayList(int initialCapacity) { if (initialCapacity > 0) { this.elementData = new Object[initialCapacity]; } else if (initialCapacity == 0) { this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA; } else { throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+ initialCapacity); } } /** * Constructs an empty list with an initial capacity of ten. */ public ArrayList() { this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA; } /** * Constructs a list containing the elements of the specified * collection, in the order they are returned by the collection's * iterator. * * @param c the collection whose elements are to be placed into this list * @throws NullPointerException if the specified collection is null */ public ArrayList(Collection<? extends E> c) { elementData = c.toArray(); if ((size = elementData.length) != 0) { // defend against c.toArray (incorrectly) not returning Object[] // (see e.g. https://bugs.openjdk.java.net/browse/JDK-6260652) if (elementData.getClass() != Object[].class) elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class); } else { // replace with empty array. this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA; } }
5.Fail-fast与结构化修改
ArrayList继承于AbstractList，AbstractList中的域modCount用来统计结构化修改的次数。
结构化修改是指改变链表的大小，或者其他扰乱它的方式，可能导致正在进行的迭代可能产生不正确的结果。
/** * The number of times this list has been <i>structurally modified</i>. * Structural modifications are those that change the size of the * list, or otherwise perturb it in such a fashion that iterations in * progress may yield incorrect results. * * <p>This field is used by the iterator and list iterator implementation * returned by the {@code iterator} and {@code listIterator} methods. * If the value of this field changes unexpectedly, the iterator (or list * iterator) will throw a {@code ConcurrentModificationException} in * response to the {@code next}, {@code remove}, {@code previous}, * {@code set} or {@code add} operations. This provides * <i>fail-fast</i> behavior, rather than non-deterministic behavior in * the face of concurrent modification during iteration. * * <p><b>Use of this field by subclasses is optional.</b> If a subclass * wishes to provide fail-fast iterators (and list iterators), then it * merely has to increment this field in its {@code add(int, E)} and * {@code remove(int)} methods (and any other methods that it overrides * that result in structural modifications to the list). A single call to * {@code add(int, E)} or {@code remove(int)} must add no more than * one to this field, or the iterators (and list iterators) will throw * bogus {@code ConcurrentModificationExceptions}. If an implementation * does not wish to provide fail-fast iterators, this field may be * ignored. */ protected transient int modCount = 0;
在序列化以及迭代(forEach)等操作的前后，需要记录modCount的值进行对比，如果不相等，则抛出ConcurrentModificationException异常。
/** * Saves the state of the {@code ArrayList} instance to a stream * (that is, serializes it). * * @param s the stream * @throws java.io.IOException if an I/O error occurs * @serialData The length of the array backing the {@code ArrayList} * instance is emitted (int), followed by all of its elements * (each an {@code Object}) in the proper order. */ private void writeObject(java.io.ObjectOutputStream s) throws java.io.IOException { // Write out element count, and any hidden stuff int expectedModCount = modCount; s.defaultWriteObject(); // Write out size as capacity for behavioral compatibility with clone() s.writeInt(size); // Write out all elements in the proper order. for (int i=0; i<size; i++) { s.writeObject(elementData[i]); } if (modCount != expectedModCount) { throw new ConcurrentModificationException(); } } /** * @throws NullPointerException {@inheritDoc} */ @Override public void forEach(Consumer<? super E> action) { Objects.requireNonNull(action); final int expectedModCount = modCount; final Object[] es = elementData; final int size = this.size; for (int i = 0; modCount == expectedModCount && i < size; i++) action.accept(elementAt(es, i)); if (modCount != expectedModCount) throw new ConcurrentModificationException(); }
6.重要的方法
- public void ensureCapacity(int minCapacity)
参数minCapacity是要扩容的最小大小，要进行扩容必须满足：
1.minCapacity大于现在elementData的长度。
2.不满足（elementData为默认空数组&&要扩容的最小大小小于DEFAULT_CAPACITY
/** * Increases the capacity of this {@code ArrayList} instance, if * necessary, to ensure that it can hold at least the number of elements * specified by the minimum capacity argument. * * @param minCapacity the desired minimum capacity */ public void ensureCapacity(int minCapacity) { if (minCapacity > elementData.length && !(elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA && minCapacity <= DEFAULT_CAPACITY)) { modCount++; grow(minCapacity); } }
- private int newCapacity(int minCapacity)
返回至少和给定minCapacity一样大小的容量。
如果可以的话将返回elementData大小的1.5倍。
除非给定minCapacity大于MAX_ARRAY_SIZE，否则容量不应超过MAX_ARRAY_SIZE。
/** * Returns a capacity at least as large as the given minimum capacity. * Returns the current capacity increased by 50% if that suffices. * Will not return a capacity greater than MAX_ARRAY_SIZE unless * the given minimum capacity is greater than MAX_ARRAY_SIZE. * * @param minCapacity the desired minimum capacity * @throws OutOfMemoryError if minCapacity is less than zero */ private int newCapacity(int minCapacity) { // overflow-conscious code int oldCapacity = elementData.length; int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1); if (newCapacity - minCapacity <= 0) { if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA)
//之前介绍elementData的时候说到，elementData为DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA
//的空ArrayList，当第一次添加元素时，容量被扩充为DEFAULT_CAPACITY return Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity); if (minCapacity < 0) // overflow throw new OutOfMemoryError(); return minCapacity; } return (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE <= 0) ? newCapacity : hugeCapacity(minCapacity); }
- private Object[] grow(int minCapacity)
- private Object[] grow()
/** * Increases the capacity to ensure that it can hold at least the * number of elements specified by the minimum capacity argument. * * @param minCapacity the desired minimum capacity * @throws OutOfMemoryError if minCapacity is less than zero */ private Object[] grow(int minCapacity) { return elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity(minCapacity)); } private Object[] grow() { return grow(size + 1); }
- private void add(E e, Object[] elementData, int s)
- public boolean add(E e)
- public add(int index, E element)
add(E e)执行时，根据调用关系，当要进行扩容时，最终会调用newCapacity()，容量为扩充为element.length*1.5和minCapacity中的较大者（通常情况是这样，具体参见代码newCapacity()）。
add(int index, E element)执行时，如需进行扩容会先进行扩容，然后通过System.arraycopy进行移位，再将元素插入指定位置。
/** * This helper method split out from add(E) to keep method * bytecode size under 35 (the -XX:MaxInlineSize default value), * which helps when add(E) is called in a C1-compiled loop. */ private void add(E e, Object[] elementData, int s) { if (s == elementData.length) elementData = grow(); elementData[s] = e; size = s + 1; } /** * Appends the specified element to the end of this list. * * @param e element to be appended to this list * @return {@code true} (as specified by {@link Collection#add}) */ public boolean add(E e) { modCount++; add(e, elementData, size); return true; } /** * Inserts the specified element at the specified position in this * list. Shifts the element currently at that position (if any) and * any subsequent elements to the right (adds one to their indices). * * @param index index at which the specified element is to be inserted * @param element element to be inserted * @throws IndexOutOfBoundsException {@inheritDoc} */ public void add(int index, E element) { rangeCheckForAdd(index); modCount++; final int s; Object[] elementData; if ((s = size) == (elementData = this.elementData).length) elementData = grow(); System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1, s - index); elementData[index] = element; size = s + 1; }
- public E remove(int index)
- public boolean remove(Object o)
- private void fastRemove(Object[] es, int i)
remove(int index)主要调用了fastRemove()来进行删除，fastRemove()用的也是System.arraycopy()。
remove(Object o)先找到该对象的索引，然后调用fastRemove()。
/** * Removes the element at the specified position in this list. * Shifts any subsequent elements to the left (subtracts one from their * indices). * * @param index the index of the element to be removed * @return the element that was removed from the list * @throws IndexOutOfBoundsException {@inheritDoc} */ public E remove(int index) { Objects.checkIndex(index, size); final Object[] es = elementData; @SuppressWarnings("unchecked") E oldValue = (E) es[index]; fastRemove(es, index); return oldValue; } /** * Removes the first occurrence of the specified element from this list, * if it is present. If the list does not contain the element, it is * unchanged. More formally, removes the element with the lowest index * {@code i} such that * {@code Objects.equals(o, get(i))} * (if such an element exists). Returns {@code true} if this list * contained the specified element (or equivalently, if this list * changed as a result of the call). * * @param o element to be removed from this list, if present * @return {@code true} if this list contained the specified element */ public boolean remove(Object o) { final Object[] es = elementData; final int size = this.size; int i = 0; found: { if (o == null) { for (; i < size; i++) if (es[i] == null) break found; } else { for (; i < size; i++) if (o.equals(es[i])) break found; } return false; } fastRemove(es, i); return true; } /** * Private remove method that skips bounds checking and does not * return the value removed. */ private void fastRemove(Object[] es, int i) { modCount++; final int newSize; if ((newSize = size - 1) > i) System.arraycopy(es, i + 1, es, i, newSize - i); es[size = newSize] = null; }
- 迭代器的add()、remove()，通过对expectedModCount的同步，使得迭代器本身对链表的修改不会触发异常。
private class Itr implements Iterator<E> { ... public void remove() { if (lastRet < 0) throw new IllegalStateException(); checkForComodification(); try { ArrayList.this.remove(lastRet); cursor = lastRet; lastRet = -1; expectedModCount = modCount; } catch (IndexOutOfBoundsException ex) { throw new ConcurrentModificationException(); } } ... } private class ListItr extends Itr implements ListIterator<E> { ... public void add(E e) { checkForComodification(); try { int i = cursor; ArrayList.this.add(i, e); cursor = i + 1; lastRet = -1; expectedModCount = modCount; } catch (IndexOutOfBoundsException ex) { throw new ConcurrentModificationException(); } } ... }
7.序列化
ArrayList 基于数组实现，并且具有动态扩容特性，因此保存元素的数组不一定都会被使用，那么就没必要全部进行序列化。
可以发现，elementData被transient修饰，不会被序列化。
/** * Saves the state of the {@code ArrayList} instance to a stream * (that is, serializes it). * * @param s the stream * @throws java.io.IOException if an I/O error occurs * @serialData The length of the array backing the {@code ArrayList} * instance is emitted (int), followed by all of its elements * (each an {@code Object}) in the proper order. */ private void writeObject(java.io.ObjectOutputStream s) throws java.io.IOException { // Write out element count, and any hidden stuff int expectedModCount = modCount; s.defaultWriteObject(); // Write out size as capacity for behavioral compatibility with clone() s.writeInt(size); // Write out all elements in the proper order. for (int i=0; i<size; i++) { s.writeObject(elementData[i]); } if (modCount != expectedModCount) { throw new ConcurrentModificationException(); } } /** * Reconstitutes the {@code ArrayList} instance from a stream (that is, * deserializes it). * @param s the stream * @throws ClassNotFoundException if the class of a serialized object * could not be found * @throws java.io.IOException if an I/O error occurs */ private void readObject(java.io.ObjectInputStream s) throws java.io.IOException, ClassNotFoundException { // Read in size, and any hidden stuff s.defaultReadObject(); // Read in capacity s.readInt(); // ignored if (size > 0) { // like clone(), allocate array based upon size not capacity SharedSecrets.getJavaObjectInputStreamAccess().checkArray(s, Object[].class, size); Object[] elements = new Object[size]; // Read in all elements in the proper order. for (int i = 0; i < size; i++) { elements[i] = s.readObject(); } elementData = elements; } else if (size == 0) { elementData = EMPTY_ELEMENTDATA; } else { throw new java.io.InvalidObjectException("Invalid size: " + size); } }
二、Vector
public class Vector<E> extends AbstractList<E> implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable
Vector主要实现了List、RandomAccess接口。
Vector类实现了一个对象的可增长数组。如同一个数组，Vector包含可以使用整数索引访问的component。然而，Vector被创建出来之后，其大小可以根据增加或者移除item来增长或者缩减。
每个Vector通过维持capacity和capacityIncrement来试图优化存储管理。capacity总是至少和Vector的size一样大；通常，capacity会更大，因为当元素添加进Vector的时候，Vector的存储空间会增长capacityIncrement的大小。在插入大量元素以前，应用会增长Vector的capacity；Vector减少了增长重分配的数量。
1.重要的域
- elementData：存储Vector组件（以下翻译成元素）的数组elementData，最后一个元素之后的数组元素为null
/** * The array buffer into which the components of the vector are * stored. The capacity of the vector is the length of this array buffer, * and is at least large enough to contain all the vector's elements. * * <p>Any array elements following the last element in the Vector are null. * * @serial */ protected Object[] elementData;
- elementCount：Vector对象合法元素的个数
/** * The number of valid components in this {@code Vector} object. * Components {@code elementData[0]} through * {@code elementData[elementCount-1]} are the actual items. * * @serial */ protected int elementCount;
- capacityIncrement：当元素数量超过capacity时，capacity会自动增长capacityIncrement的大小。如果capacityIncrement小于等于0，capacit则y在每次需要增长时会扩大为两倍。
/** * The amount by which the capacity of the vector is automatically * incremented when its size becomes greater than its capacity. If * the capacity increment is less than or equal to zero, the capacity * of the vector is doubled each time it needs to grow. * * @serial */ protected int capacityIncrement;
3.重要的方法
/** * Returns a capacity at least as large as the given minimum capacity. * Will not return a capacity greater than MAX_ARRAY_SIZE unless * the given minimum capacity is greater than MAX_ARRAY_SIZE. * * @param minCapacity the desired minimum capacity * @throws OutOfMemoryError if minCapacity is less than zero */ private int newCapacity(int minCapacity) { // overflow-conscious code int oldCapacity = elementData.length; int newCapacity = oldCapacity + ((capacityIncrement > 0) ? capacityIncrement : oldCapacity); if (newCapacity - minCapacity <= 0) { if (minCapacity < 0) // overflow throw new OutOfMemoryError(); return minCapacity; } return (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE <= 0) ? newCapacity : hugeCapacity(minCapacity); }
4.Vector与ArrayList比较
- Vector与ArrayList类似，但是Vector使用了synchronized进行同步。
- 由于Vector时同步的，因此其开销要比ArrayList更大，访问速度更慢。最好使用ArrayList而不是Vector，因为同步操作完全可以由程序员自己来控制。
- Vector每次扩容的空间是由capacityIncrement决定的，要么为oldCapacity+capacityIncrement，要么为原先的两倍，ArrayList为原先的1.5倍。
5.替代方案
- 在ArrayList部分中提到，可以使用Collections.synchronizedList()得到一个线程安全的ArrayList。
- 可以使用concurrent并发包下的CopyOnWriteArrayList类。
三、CopyOnWriteArrayList
public class CopyOnWriteArrayList<E> implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable
CopyOnWriteArrayList主要实现了List、RandomAccess接口。
ArrayList线程安全的版本，所有的修改操作通过底层数组的一个拷贝来实现。
这通常会造成很大的开销，但是当便利操作远超于修改操作时，通常会更有效。并且当你不能或者不想同步遍历这将会很有用，你需要排除并发带来的干扰。“快照”风格的迭代器方法在迭代器创建时，使用数组状态的一个引用。在迭代器的生命周期中，数组不会被改变，因此不会存在干扰且迭代器保证不会抛出ConcurrentModificationException。迭代器被创建之后，不会反映对链表的增、删、改。迭代器自身的元素改变操作remove()、set()不被支持。这些方法会抛出UnsupportOperationException。
所有的元素都被允许，包括null。
存储一致性效果：和其他并发集合一样，向CopyOnWriteArrayList放置一个元素的线程发生在访问或移除这个元素的其他线程之前。
1.重要的域
- 锁lock（对一些修改操作上锁）
/** * The lock protecting all mutators. (We have a mild preference * for builtin monitors over ReentrantLock when either will do.) */ final transient Object lock = new Object();
- array
/** The array, accessed only via getArray/setArray. */ private transient volatile Object[] array;
2.重要的方法
修改的操作都进行了锁，防止数据丢失等。
add()方法先getArray()取得数组，然后拷贝一份新数组进行修改，最后将底层数组设置为新数组。
同理，remove(int index)也是不是对原数组进行操作，而是使用一个新的数组。
写操作在新的拷贝上进行，读操作仍然读取原来的数组，互不影响。
public E set(int index, E element) { synchronized (lock) { Object[] es = getArray(); E oldValue = elementAt(es, index); if (oldValue != element) { es = es.clone(); es[index] = element; setArray(es); } return oldValue; } } public boolean add(E e) { synchronized (lock) { Object[] es = getArray(); int len = es.length; es = Arrays.copyOf(es, len + 1); es[len] = e; setArray(es); return true; } } public void add(int index, E element) { synchronized (lock) { Object[] es = getArray(); int len = es.length; if (index > len || index < 0) throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBounds(index, len)); Object[] newElements; int numMoved = len - index; if (numMoved == 0) newElements = Arrays.copyOf(es, len + 1); else { newElements = new Object[len + 1]; System.arraycopy(es, 0, newElements, 0, index); System.arraycopy(es, index, newElements, index + 1, numMoved); } newElements[index] = element; setArray(newElements); } } public E remove(int index) { synchronized (lock) { Object[] es = getArray(); int len = es.length; E oldValue = elementAt(es, index); int numMoved = len - index - 1; Object[] newElements; if (numMoved == 0) newElements = Arrays.copyOf(es, len - 1); else { newElements = new Object[len - 1]; System.arraycopy(es, 0, newElements, 0, index); System.arraycopy(es, index + 1, newElements, index, numMoved); } setArray(newElements); return oldValue; } }
3.适用场景
CopyOnWriteArrayList在写操作的同时允许读操作，大大提交了读操作的性能，因此很适合读多写少的应用场景。
但是CopyOnWriteArrayList有其缺陷：
- 内存占用：在写操作时需要复制一个新的数组，使得内存占用为原来的两倍左右。
- 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。
四、LinkedList
public class LinkedList<E> extends AbstractSequentialList<E> implements List<E>, Deque<E>, Cloneable, java.io.Serializable
LinkedList主要实现了List、Deque（双向链表）接口。
List和Deque接口的双向链表实现。实现了所有链表的操作，允许所有类型包括null。
所有的操作表现为一个双向链表所预期的那样。索引链表的操作将从开始或结尾开始遍历链表，这取决于开始和结尾哪个更靠近要索引的节点。
注意LinkedList不是同步的。如果在并发访问下，并且至少有一个会结构化的修改链表，则必须在外部进行同步。关于结构化修改和之前所述一致。
LinkedList也可以使用Collections.synchronizedList(new LinkedList(...));来进行封装，使得LinkedList支持并发访问。
LinkedList的迭代器也遵循Fail-fast机制。
1.重要的域
- transient Node<E> first;
- transient Node<E> last;
/** * Pointer to first node. */ transient Node<E> first; /** * Pointer to last node. */ transient Node<E> last;
2.重要的方法
LinkedList方法较为简单，主要是对双向链表进行操作。
/** * Links e as first element. */ private void linkFirst(E e) { final Node<E> f = first; final Node<E> newNode = new Node<>(null, e, f); first = newNode; if (f == null) last = newNode; else f.prev = newNode; size++; modCount++; } /** * Links e as last element. */ void linkLast(E e) { final Node<E> l = last; final Node<E> newNode = new Node<>(l, e, null); last = newNode; if (l == null) first = newNode; else l.next = newNode; size++; modCount++; } /** * Inserts element e before non-null Node succ. */ void linkBefore(E e, Node<E> succ) { // assert succ != null; final Node<E> pred = succ.prev; final Node<E> newNode = new Node<>(pred, e, succ); succ.prev = newNode; if (pred == null) first = newNode; else pred.next = newNode; size++; modCount++; } /** * Unlinks non-null first node f. */ private E unlinkFirst(Node<E> f) { // assert f == first && f != null; final E element = f.item; final Node<E> next = f.next; f.item = null; f.next = null; // help GC first = next; if (next == null) last = null; else next.prev = null; size--; modCount++; return element; } /** * Unlinks non-null last node l. */ private E unlinkLast(Node<E> l) { // assert l == last && l != null; final E element = l.item; final Node<E> prev = l.prev; l.item = null; l.prev = null; // help GC last = prev; if (prev == null) first = null; else prev.next = null; size--; modCount++; return element; } /** * Unlinks non-null node x. */ E unlink(Node<E> x) { // assert x != null; final E element = x.item; final Node<E> next = x.next; final Node<E> prev = x.prev; if (prev == null) { first = next; } else { prev.next = next; x.prev = null; } if (next == null) { last = prev; } else { next.prev = prev; x.next = null; } x.item = null; size--; modCount++; return element; }
/** * Returns the (non-null) Node at the specified element index. */ Node<E> node(int index) { // assert isElementIndex(index); if (index < (size >> 1)) { Node<E> x = first; for (int i = 0; i < index; i++) x = x.next; return x; } else { Node<E> x = last; for (int i = size - 1; i > index; i--) x = x.prev; return x; } }
3.LinkedList和ArrayList的比较
- ArrayList底层基于动态扩容的数组实现，LinkedList基于双向链表实现。
- ArrayList支持随机访问，LinkedList不支持。
- LinkedList在任意位置添加删除元素更快。
这些区别主要是基于数组和链表的特点。
五、HashMap
public class HashMap<K,V> extends AbstractMap<K,V> implements Map<K,V>, Cloneable, Serializable
HashMap主要实现了Map接口。
Map接口基于HashTable的实现。HashMap提供了所有的map操作，允许null value和null key。HashMap类大致等同于HashTable类，除了HashMap是异步的且允许null。这个类不保证map的顺序；特别的，它不保证顺序随着时间的推移会保持不变。
在哈希函数使元素正确分散的前提下，HashMap对于get()、put()操作提供恒定时间的表现（constant-time performance）。集合视图的迭代需要与HashMap的capacity（bucket的数量）及size（键值对的数量）成正比的时间。因此，如果迭代性能很重要的话，不要把初始容量设的太高（或者加载因子设的太低）使很重要的。
HashMap实例有两个参数影响其性能：
- 初始容量
- 加载因子
容量（capacity）是HashTable的桶（bucket）的数量，初始容量在创建时HashTable的容量。
加载因子（load factor）是衡量在capacity扩容之前，HashTable允许被填装的多满。
当HashTable中键值对个数超过加载因子和当前容量的乘积时，HashTable将会被rehash（即内部数据结构将重建），HashTable的桶将会扩大为近似两倍的桶。
一般来说，默认加载因子（0.75）提供了对时间和空间较好的平衡。加载因子更高会减少空间开销但会提升查找开销（对照HashMap类大多数操作，包括get()、put()）。在初始化容量的时候，预期的键值对数量和加载因子需要被考虑，来最小化rehash的次数。如果初始化容量大于键值对最大值除以加载因子，就不会发生rehash操作。
如果HashMap实例要存储较多的键值对，用一个足够大的容量来创建它将使得键值对更有效率的被存储，相比于让它自动rehash来增长。注意使用具有相同hashCode()的键会降低一些hash table的性能。为了改善影响，当键是可比较的，这个类将使用比较顺序来打破这种关系。
注意，HashMap也不是同步的。可以使用Collections.synchronizedMap(new HashMap(...))来进行异步访问。
1.构造函数
/** * Constructs an empty {@code HashMap} with the specified initial * capacity and load factor. * * @param initialCapacity the initial capacity * @param loadFactor the load factor * @throws IllegalArgumentException if the initial capacity is negative * or the load factor is nonpositive */ public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) { if (initialCapacity < 0) throw new IllegalArgumentException("Illegal initial capacity: " + initialCapacity); if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY) initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY; if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor)) throw new IllegalArgumentException("Illegal load factor: " + loadFactor); this.loadFactor = loadFactor; this.threshold = tableSizeFor(initialCapacity); } /** * Constructs an empty {@code HashMap} with the specified initial * capacity and the default load factor (0.75). * * @param initialCapacity the initial capacity. * @throws IllegalArgumentException if the initial capacity is negative. */ public HashMap(int initialCapacity) { this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR); } /** * Constructs an empty {@code HashMap} with the default initial capacity * (16) and the default load factor (0.75). */ public HashMap() { this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; // all other fields defaulted } /** * Constructs a new {@code HashMap} with the same mappings as the * specified {@code Map}. The {@code HashMap} is created with * default load factor (0.75) and an initial capacity sufficient to * hold the mappings in the specified {@code Map}. * * @param m the map whose mappings are to be placed in this map * @throws NullPointerException if the specified map is null */ public HashMap(Map<? extends K, ? extends V> m) { this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; putMapEntries(m, false); }
2.Node节点
/** * Basic hash bin node, used for most entries. (See below for * TreeNode subclass, and in LinkedHashMap for its Entry subclass.) */ static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> { final int hash; final K key; V value; Node<K,V> next; Node(int hash, K key, V value, Node<K,V> next) { this.hash = hash; this.key = key; this.value = value; this.next = next; } public final K getKey() { return key; } public final V getValue() { return value; } public final String toString() { return key + "=" + value; } public final int hashCode() { return Objects.hashCode(key) ^ Objects.hashCode(value); } public final V setValue(V newValue) { V oldValue = value; value = newValue; return oldValue; } public final boolean equals(Object o) { if (o == this) return true; if (o instanceof Map.Entry) { Map.Entry<?,?> e = (Map.Entry<?,?>)o; if (Objects.equals(key, e.getKey()) && Objects.equals(value, e.getValue())) return true; } return false; } }
3.put操作
需要注意的是，从jdk1.8开始，新节点是插入在链表的尾部，此前是插在头部。
- putVal(...)
/** * Implements Map.put and related methods. * * @param hash hash for key * @param key the key * @param value the value to put * @param onlyIfAbsent if true, don't change existing value * @param evict if false, the table is in creation mode. * @return previous value, or null if none */ final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent, boolean evict) { HashMap.Node<K,V>[] tab; HashMap.Node<K,V> p; int n, i; //若table为null或者大小为0，则初始化表 if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0) n = (tab = resize()).length; //如果对应的桶为null if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null) tab[i] = newNode(hash, key, value, null); //若不为null else { HashMap.Node<K,V> e; K k; //如果为同一个key，则取得节点 if (p.hash == hash && ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) e = p; //若为TreeNode else if (p instanceof HashMap.TreeNode) e = ((HashMap.TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value); //否则遍历链表 else { for (int binCount = 0; ; ++binCount) { //如果遍历到结尾还没找到相同的key，则将新node插入到链表尾部 if ((e = p.next) == null) { p.next = newNode(hash, key, value, null); if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st treeifyBin(tab, hash); break; } if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) break; p = e; } } //e可能要被覆盖的节点的位置，如果插入到链表尾，e为null if (e != null) { // existing mapping for key V oldValue = e.value; if (!onlyIfAbsent || oldValue == null) e.value = value; afterNodeAccess(e); return oldValue; } } ++modCount; if (++size > threshold) resize(); afterNodeInsertion(evict); return null; }
4.确定桶下标
HashMap中有许多操作要先确定一个key对应的桶的下表
- 计算key的hash值
这里对h和h>>>16进行异或，而不用key的hashCode()，是因为由于HashMap的key的hash值最终是要和capacity进行与运算，当capacity值不大时，与运算实际有效的位数较少，这样key.hashCode()得到的hash值有很大一部分没有用上，散列到table上冲突的概率增大，(h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16)将hash值的低16位变为低16和高16的异或，原来的高16位不变，这样可以减少散列冲突。
至于 >> 是指右移，>>>是指无符号右移。
具体解释看这里，膜拜大佬。
static final int hash(Object key) { int h; return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16); }
- 取模
如果x为2的次方，则 (y%x) 等于 (y & x-1)。
令x = 1 << 4,即x为2的4次方：
x : 00010000
x - 1 : 00001111
令一个数y与x-1做与运算，可以去除y的第4位以上的数：
y : 10110010 x - 1 : 00001111 y&(x-1) : 00000010
得到的结果与y对x取模的结果是一样的。
由于位运算的代价比求模运算小的多，因此在进行求模运算的时候用位运算替代能带来更大的性能。
确定桶下标的最后一步是将key的hash值对桶个数取模：hash%capacity，如果能保证capacity为2的n次方，那么就可以将取模的操作转换为位运算。
在上一节中，putVal()方法也使用了位运算来计算桶下标。
5.动态扩容
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，因此平均查找次数的复杂度为 O(N/M)。
为了让查找的成本降低，应该尽可能使得 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。但如果M太大的话，会造成空间上的浪费，因此需要在时间和空间的开销上找到平衡。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。
和扩容相关的参数主要有：capacity、size、threshold 和 loadFactor。
| 参数 | 含义 |
|---|---|
| capacity | table 的容量大小，默认为 16。需要注意的是 capacity 必须保证为 2 的 n 次方。 |
| size | 键值对数量。 |
| threshold | size 的临界值，当 size 大于等于 threshold 就必须进行扩容操作。 |
| loadFactor | 装载因子，table 能够使用的比例，threshold = capacity * loadFactor。 |
static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30; static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f; transient Node<K,V>[] table; transient int size; int threshold; final float loadFactor;
扩容使用resize()方法实现：
/** * Initializes or doubles table size. If null, allocates in * accord with initial capacity target held in field threshold. * Otherwise, because we are using power-of-two expansion, the * elements from each bin must either stay at same index, or move * with a power of two offset in the new table. * 初始化或者将table大小变为两倍。 * 如果table为null，则根据threshold字段保存的初始容量来分配。 * 如果table不为null，我们将用二次幂来扩展，每个桶的元素必须在相同索引的位置，或者在新表中 * 移动二次幂的偏移。 * * @return the table */ final HashMap.Node<K,V>[] resize() { HashMap.Node<K,V>[] oldTab = table; int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length; int oldThr = threshold; int newCap, newThr = 0; //如果原来容量大于0，则分配为原来的两倍 if (oldCap > 0) { if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) { threshold = Integer.MAX_VALUE; return oldTab; } else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY && oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY) newThr = oldThr << 1; // double threshold } //如果原来容量为0，原来的阈值不为0，则为第一次初始化table，新的容量为原来的阈值 //使用带参的构造函数走的是这个分支 else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold newCap = oldThr; //如果原来的容量为0，原来阈值也为0，则用默认值来初始化新的容量和阈值 //使用HashMap不带参的构造函数走的就是这个分支 else { // zero initial threshold signifies using defaults newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY; newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY); } //第二个分支没有设置到newThr，在这里重新计算 if (newThr == 0) { float ft = (float)newCap * loadFactor; newThr = (newCap < MAXIMUM_CAPACITY && ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY ? (int)ft : Integer.MAX_VALUE); } threshold = newThr; //使用新的容量定义新的table @SuppressWarnings({"rawtypes","unchecked"}) HashMap.Node<K,V>[] newTab = (HashMap.Node<K,V>[])new HashMap.Node[newCap]; table = newTab; //遍历旧表，将旧表中元素移到新表中 if (oldTab != null) { for (int j = 0; j < oldCap; ++j) { HashMap.Node<K,V> e; if ((e = oldTab[j]) != null) { oldTab[j] = null; //若当前桶只有一个元素，则直接进行rehash if (e.next == null) newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e; else if (e instanceof HashMap.TreeNode) ((HashMap.TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap); else { // preserve order HashMap.Node<K,V> loHead = null, loTail = null; HashMap.Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null; HashMap.Node<K,V> next; do { next = e.next; //如果哈希值和oldCap做与运算为0，则在新表中还在原位 if ((e.hash & oldCap) == 0) { if (loTail == null) loHead = e; else loTail.next = e; loTail = e; } //若与运算不为0，则在新表中的位置为原索引+oldCap，可以举例验证 else { if (hiTail == null) hiHead = e; else hiTail.next = e; hiTail = e; } } while ((e = next) != null); if (loTail != null) { loTail.next = null; newTab[j] = loHead; } if (hiTail != null) { hiTail.next = null; newTab[j + oldCap] = hiHead; } } } } } return newTab; }
5.1扩容-重新计算桶下标
重新计算桶下标的逻辑也在resize()方法中
//如果哈希值和oldCap做与运算为0，则在新表中还在原位 if ((e.hash & oldCap) == 0) { if (loTail == null) loHead = e; else loTail.next = e; loTail = e; } //若与运算不为0，则在新表中的位置为原索引+oldCap else { if (hiTail == null) hiHead = e; else hiTail.next = e; hiTail = e; }
i，f (loTail != null) {
loTail.next = null;
newTab[j] = loHead;
}
if (hiTail != null) {
hiTail.next = null;
newTab[j + oldCap] = hiHead;
}
在进行扩容时，需要把键值对重新放到对应的桶上。HashMap 使用了一个特殊的机制，可以降低重新计算桶下标的操作。
假设原数组长度 capacity 为 16，扩容之后 new capacity 为 32：
capacity : 00010000
new capacity : 00100000
对于一个 Key，
- 它的哈希值如果在第 5 位上为 0，那么取模得到的结果和之前一样；
- 如果为 1，那么得到的结果为原来的结果 +16。
6.计算数组容量
HashMap要求容量capacity为2的n次方，构造函数允许用户传入的容量不是2的n次方，因为它可以自动地将传入的容量转换为2的n次方。
/** * Returns a power of two size for the given target capacity. */ static final int tableSizeFor(int cap) { int n = cap - 1; n |= n >>> 1; n |= n >>> 2; n |= n >>> 4; n |= n >>> 8; n |= n >>> 16; return (n < 0) ? 1 : (n >= MAXIMUM_CAPACITY) ? MAXIMUM_CAPACITY : n + 1; }
具体请看这里。
7.链表转红黑树
从 JDK 1.8 开始，一个桶存储的链表长度大于 8 时会将链表转换为红黑树。
8.HashMap与HashTable比较
- HashTable使用synchronized来进行同步。
- HashMap可以插入键为null的Entry。
- HashMap的迭代器是Fail-fast迭代器。
- HashMap不能保证随着时间的推移Map中的元素次序是不变的。
六、ConcurrentHashMap
public class ConcurrentHashMap<K,V> extends AbstractMap<K,V> implements ConcurrentMap<K,V>, Serializable
支持检索的全并发和更新的高预期并发的hash table。ConcurrentHashMap遵循与Hashtable相同的功能，包括Hashtable的每个方法的版本。然而，即使所有的操作是线程安全的，检索操作也不意味着上锁，ConcurrentHashMap对于对整个表上锁来保护所有的访问没有任何的支持。在依赖线程安全但不依赖于它的同步细节的程序中，ConcurrentHashMap完全与Hashtable互操作。
检索操作（包括get）通常不加锁，所以可能会和更新操作（包括put、remove）重叠。检索反应大多数近期完成的更新操作的结果（更加正式的说，检索更新的值只与在这之前发生的更新操作有关）。对于聚合操作（putAll、clear），并发检索可能只反映一部分插入和移除。相似的，迭代器、分割器、枚举只反映它们创建时hashtable的状态。它们不会抛出ConcurrentModificationException。然而迭代器被设计只用来一个时间只在一个线程中使用。记住聚合状态方法（size、isEmpty、containsValue）的结果只有当map不会在其他线程中并发更新才有用。否则这些方法的结果反应的短暂状态只适用于监视或者估计，而不适用于程序控制。
当有许多冲突时，ConcurrentHashMap会自动扩张（有不同hashcode的key却掉进相同的插槽）。
1.put操作
/** * Maps the specified key to the specified value in this table. * Neither the key nor the value can be null. * * <p>The value can be retrieved by calling the {@code get} method * with a key that is equal to the original key. * * @param key key with which the specified value is to be associated * @param value value to be associated with the specified key * @return the previous value associated with {@code key}, or * {@code null} if there was no mapping for {@code key} * @throws NullPointerException if the specified key or value is null */ public V put(K key, V value) { return putVal(key, value, false); } /** Implementation for put and putIfAbsent */ final V putVal(K key, V value, boolean onlyIfAbsent) { if (key == null || value == null) throw new NullPointerException(); //获取key的hash int hash = spread(key.hashCode()); //记录链表长度 int binCount = 0; for (ConcurrentHashMap.Node<K,V>[] tab = table;;) { ConcurrentHashMap.Node<K,V> f; int n, i, fh; //如果还未初始化table if (tab == null || (n = tab.length) == 0) tab = initTable(); //如果对应的桶为空 else if ((f = tabAt(tab, i = (n - 1) & hash)) == null) { //用CAS操作插入节点，如果失败则重试 if (casTabAt(tab, i, null, new ConcurrentHashMap.Node<K,V>(hash, key, value, null))) break; // no lock when adding to empty bin } //如果在扩容 else if ((fh = f.hash) == MOVED) //帮助数据迁移 tab = helpTransfer(tab, f); //如果table已经初始化完毕，且当前桶已经有数据了，且不在扩容。f为桶中的头节点 else { V oldVal = null; //对头节点加锁 synchronized (f) { if (tabAt(tab, i) == f) { //头节点hash值大于等于0，说明是链表 if (fh >= 0) { binCount = 1; for (ConcurrentHashMap.Node<K,V> e = f;; ++binCount) { K ek; //如果发现了相等的key则覆盖 if (e.hash == hash && ((ek = e.key) == key || (ek != null && key.equals(ek)))) { oldVal = e.val; if (!onlyIfAbsent) e.val = value; break; } ConcurrentHashMap.Node<K,V> pred = e; //如果遍历到结尾，则将新值插入到链表尾 if ((e = e.next) == null) { pred.next = new ConcurrentHashMap.Node<K,V>(hash, key, value, null); break; } } } //红黑树 else if (f instanceof ConcurrentHashMap.TreeBin) { ConcurrentHashMap.Node<K,V> p; binCount = 2; if ((p = ((ConcurrentHashMap.TreeBin<K,V>)f).putTreeVal(hash, key, value)) != null) { oldVal = p.val; if (!onlyIfAbsent) p.val = value; } } } }
if (binCount != 0) { //如果binCount大于阈值 if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD) //这个方法和HashMap有点不同，它不是一定会进行红黑树转化 //如果当前数组的长度小于64，则会选择进行扩容 treeifyBin(tab, i); if (oldVal != null) return oldVal; break; } } } addCount(1L, binCount); return null; }
2.initTable
/** * Initializes table, using the size recorded in sizeCtl. */ private final Node<K,V>[] initTable() { Node<K,V>[] tab; int sc; while ((tab = table) == null || tab.length == 0) { //已有其他的线程在初始化或扩容 if ((sc = sizeCtl) < 0) Thread.yield(); // lost initialization race; just spin //CAS一下，将sizeCtl设置为-1，代表抢到了锁 else if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc, -1)) { try { if ((tab = table) == null || tab.length == 0) { //初始化数组，长度为16或为构造函数传入的长度 int n = (sc > 0) ? sc : DEFAULT_CAPACITY; @SuppressWarnings("unchecked") Node<K,V>[] nt = (Node<K,V>[])new Node<?,?>[n]; //初始化table table = tab = nt; //0.75 * n sc = n - (n >>> 2); } } finally { //设置sizeCtl为sc，默认情况下是12 sizeCtl = sc; } break; } } return tab; }
3.treeifyBin
当链表长度大于给定值时，将链表转化为红黑树，但如果table的长度未达到MIN_TREEIFY_CAPACITY时，尝试扩容而不是树化。
/** * Replaces all linked nodes in bin at given index unless table is * too small, in which case resizes instead. */ private final void treeifyBin(Node<K,V>[] tab, int index) { Node<K,V> b; int n, sc; if (tab != null) { //当table长度小于MIN_TREEIFY_CAPACITY时，尝试扩容 if ((n = tab.length) < MIN_TREEIFY_CAPACITY) tryPresize(n << 1); //否则对链表进行红黑树转化 else if ((b = tabAt(tab, index)) != null && b.hash >= 0) { synchronized (b) { if (tabAt(tab, index) == b) { TreeNode<K,V> hd = null, tl = null; for (Node<K,V> e = b; e != null; e = e.next) { TreeNode<K,V> p = new TreeNode<K,V>(e.hash, e.key, e.val, null, null); if ((p.prev = tl) == null) hd = p; else tl.next = p; tl = p; } setTabAt(tab, index, new TreeBin<K,V>(hd)); } } } } }
4.tryPresize
尝试扩容table来容纳给定的元素数量
/** * Tries to presize table to accommodate the given number of elements. * * @param size number of elements (doesn't need to be perfectly accurate) */ private final void tryPresize(int size) { int c = (size >= (MAXIMUM_CAPACITY >>> 1)) ? MAXIMUM_CAPACITY : tableSizeFor(size + (size >>> 1) + 1); int sc; //当sizeCtl大于0，代表下次扩容的大小 while ((sc = sizeCtl) >= 0) { Node<K,V>[] tab = table; int n; //初始化代码？ if (tab == null || (n = tab.length) == 0) { n = (sc > c) ? sc : c; if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc, -1)) { try { if (table == tab) { @SuppressWarnings("unchecked") Node<K,V>[] nt = (Node<K,V>[])new Node<?,?>[n]; table = nt; sc = n - (n >>> 2); } } finally { sizeCtl = sc; } } } //若扩容的大小还没有达到下次扩容的阈值或者已经大于MAXIMUM_CAPACITY else if (c <= sc || n >= MAXIMUM_CAPACITY) break; //进行扩容和数据迁移 else if (tab == table) { int rs = resizeStamp(n); if (sc < 0) { Node<K,V>[] nt; if ((sc >>> RESIZE_STAMP_SHIFT) != rs || sc == rs + 1 || sc == rs + MAX_RESIZERS || (nt = nextTable) == null || transferIndex <= 0) break; if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc, sc + 1)) transfer(tab, nt); } else if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc, (rs << RESIZE_STAMP_SHIFT) + 2)) //传入空值，在transfer中进行初始化，将table扩容为两倍大 transfer(tab, null); } } }
5.transfer
/** * Moves and/or copies the nodes in each bin to new table. See * above for explanation. */ private final void transfer(Node<K,V>[] tab, Node<K,V>[] nextTab) { int n = tab.length, stride; if ((stride = (NCPU > 1) ? (n >>> 3) / NCPU : n) < MIN_TRANSFER_STRIDE) stride = MIN_TRANSFER_STRIDE; // subdivide range if (nextTab == null) { // initiating try { @SuppressWarnings("unchecked") Node<K,V>[] nt = (Node<K,V>[])new Node<?,?>[n << 1]; nextTab = nt; } catch (Throwable ex) { // try to cope with OOME sizeCtl = Integer.MAX_VALUE; return; } nextTable = nextTab; transferIndex = n; } int nextn = nextTab.length; ForwardingNode<K,V> fwd = new ForwardingNode<K,V>(nextTab); boolean advance = true; boolean finishing = false; // to ensure sweep before committing nextTab for (int i = 0, bound = 0;;) { Node<K,V> f; int fh; while (advance) { int nextIndex, nextBound; if (--i >= bound || finishing) advance = false; else if ((nextIndex = transferIndex) <= 0) { i = -1; advance = false; } else if (U.compareAndSwapInt (this, TRANSFERINDEX, nextIndex, nextBound = (nextIndex > stride ? nextIndex - stride : 0))) { bound = nextBound; i = nextIndex - 1; advance = false; } } if (i < 0 || i >= n || i + n >= nextn) { int sc; if (finishing) { nextTable = null; table = nextTab; sizeCtl = (n << 1) - (n >>> 1); return; } if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc = sizeCtl, sc - 1)) { if ((sc - 2) != resizeStamp(n) << RESIZE_STAMP_SHIFT) return; finishing = advance = true; i = n; // recheck before commit } } else if ((f = tabAt(tab, i)) == null) advance = casTabAt(tab, i, null, fwd); else if ((fh = f.hash) == MOVED) advance = true; // already processed else { synchronized (f) { if (tabAt(tab, i) == f) { Node<K,V> ln, hn; if (fh >= 0) { int runBit = fh & n; Node<K,V> lastRun = f; for (Node<K,V> p = f.next; p != null; p = p.next) { int b = p.hash & n; if (b != runBit) { runBit = b; lastRun = p; } } if (runBit == 0) { ln = lastRun; hn = null; } else { hn = lastRun; ln = null; } for (Node<K,V> p = f; p != lastRun; p = p.next) { int ph = p.hash; K pk = p.key; V pv = p.val; if ((ph & n) == 0) ln = new Node<K,V>(ph, pk, pv, ln); else hn = new Node<K,V>(ph, pk, pv, hn); } setTabAt(nextTab, i, ln); setTabAt(nextTab, i + n, hn); setTabAt(tab, i, fwd); advance = true; } else if (f instanceof TreeBin) { TreeBin<K,V> t = (TreeBin<K,V>)f; TreeNode<K,V> lo = null, loTail = null; TreeNode<K,V> hi = null, hiTail = null; int lc = 0, hc = 0; for (Node<K,V> e = t.first; e != null; e = e.next) { int h = e.hash; TreeNode<K,V> p = new TreeNode<K,V> (h, e.key, e.val, null, null); if ((h & n) == 0) { if ((p.prev = loTail) == null) lo = p; else loTail.next = p; loTail = p; ++lc; } else { if ((p.prev = hiTail) == null) hi = p; else hiTail.next = p; hiTail = p; ++hc; } } ln = (lc <= UNTREEIFY_THRESHOLD) ? untreeify(lo) : (hc != 0) ? new TreeBin<K,V>(lo) : t; hn = (hc <= UNTREEIFY_THRESHOLD) ? untreeify(hi) : (lc != 0) ? new TreeBin<K,V>(hi) : t; setTabAt(nextTab, i, ln); setTabAt(nextTab, i + n, hn); setTabAt(tab, i, fwd); advance = true; } } } } } }
七、LinkedHashMap
public class LinkedHashMap<K,V> extends HashMap<K,V> implements Map<K,V>
LinkedHashMap继承于HashMap，内部维护了一个双向链表，用来维护插入顺序或者LRU顺序。
/** * The head (eldest) of the doubly linked list. */ transient LinkedHashMap.Entry<K,V> head; /** * The tail (youngest) of the doubly linked list. */ transient LinkedHashMap.Entry<K,V> tail;
1.向链表中追加新节点
当向LinkedHashMap中插入新节点时，linkNodeLast()实现了向双向链表中增加新节点，它在newNode()中被调用。
// link at the end of list private void linkNodeLast(LinkedHashMap.Entry<K,V> p) { LinkedHashMap.Entry<K,V> last = tail; tail = p; if (last == null) head = p; else { p.before = last; last.after = p; } }
Node<K,V> newNode(int hash, K key, V value, Node<K,V> e) { LinkedHashMap.Entry<K,V> p = new LinkedHashMap.Entry<K,V>(hash, key, value, e); linkNodeLast(p); return p; }
2.从链表中删除节点
当从LinkedListMap移除节点时，afterNodeRemoval()实现从双向链表中移除节点。
void afterNodeRemoval(Node<K,V> e) { // unlink LinkedHashMap.Entry<K,V> p = (LinkedHashMap.Entry<K,V>)e, b = p.before, a = p.after; p.before = p.after = null; if (b == null) head = a; else b.after = a; if (a == null) tail = b; else a.before = b; }
3.accessOrder
accessOrder决定了LinkedHashMap双向链表所维护的顺序，默认为false，此时维护的是插入顺序，当为true时，维护的是访问顺序（当访问了LinkedHashMap的某个节点，则节点被刷新为youngest）。
4.访问顺序
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。
void afterNodeAccess(Node<K,V> e) { // move node to last LinkedHashMap.Entry<K,V> last; if (accessOrder && (last = tail) != e) { LinkedHashMap.Entry<K,V> p = (LinkedHashMap.Entry<K,V>)e, b = p.before, a = p.after; p.after = null; if (b == null) head = a; else b.after = a; if (a != null) a.before = b; else last = b; if (last == null) head = p; else { p.before = last; last.after = p; } tail = p; ++modCount; } }
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。
void afterNodeInsertion(boolean evict) { // possibly remove eldest LinkedHashMap.Entry<K,V> first; if (evict && (first = head) != null && removeEldestEntry(first)) { K key = first.key; removeNode(hash(key), key, null, false, true); } }
removeEldestEntry() 默认为 false，如果需要让它为 true，需要继承 LinkedHashMap 并且覆盖这个方法的实现，这在实现 LRU 的缓存中特别有用，通过移除最近最久未使用的节点，从而保证缓存空间足够，并且缓存的数据都是热点数据。
protected boolean removeEldestEntry(Map.Entry<K,V> eldest) { return false; }
4.LRU 缓存
以下是使用 LinkedHashMap 实现的一个 LRU 缓存：
- 设定最大缓存空间 MAX_ENTRIES 为 3；
- 使用 LinkedHashMap 的构造函数将 accessOrder 设置为 true，开启 LRU 顺序；
- 覆盖 removeEldestEntry() 方法实现，在节点多于 MAX_ENTRIES 就会将最近最久未使用的数据移除。
class LRUCache<K, V> extends LinkedHashMap<K, V> { private static final int MAX_ENTRIES = 3; protected boolean removeEldestEntry(Map.Entry eldest) { return size() > MAX_ENTRIES; } LRUCache() { super(MAX_ENTRIES, 0.75f, true); } } public static void main(String[] args) { LRUCache<Integer, String> cache = new LRUCache<>(); cache.put(1, "a"); cache.put(2, "b"); cache.put(3, "c"); cache.get(1); cache.put(4, "d"); System.out.println(cache.keySet()); }
[3, 1, 4]
八、Hashtable
public class Hashtable<K,V> extends Dictionary<K,V> implements Map<K,V>, Cloneable, java.io.Serializable
Hashtable是线程安全的，使用synchronized进行控制。只能使用非空的key或者value。
为了成功的存储和索引hashtable，作为key的对象必须实现hashcode()和equals()。
底层使用Entry数组来存储
/** * The hash table data. */ private transient Entry<?,?>[] table;
两个重要参数：threshold和loadFactor
1.put操作
从代码中看出hashtable的key的hash值使用的是key.hashCode()，如果key只存在则替换，若不存在则新增。
/** * Maps the specified <code>key</code> to the specified * <code>value</code> in this hashtable. Neither the key nor the * value can be <code>null</code>. <p> * * The value can be retrieved by calling the <code>get</code> method * with a key that is equal to the original key. * * @param key the hashtable key * @param value the value * @return the previous value of the specified key in this hashtable, * or <code>null</code> if it did not have one * @exception NullPointerException if the key or value is * <code>null</code> * @see Object#equals(Object) * @see #get(Object) */ public synchronized V put(K key, V value) { // Make sure the value is not null if (value == null) { throw new NullPointerException(); } // Makes sure the key is not already in the hashtable. Entry<?,?> tab[] = table; int hash = key.hashCode(); int index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length; @SuppressWarnings("unchecked") Entry<K,V> entry = (Entry<K,V>)tab[index]; for(; entry != null ; entry = entry.next) { if ((entry.hash == hash) && entry.key.equals(key)) { V old = entry.value; entry.value = value; return old; } } addEntry(hash, key, value, index); return null; }
private void addEntry(int hash, K key, V value, int index) { modCount++; Entry<?,?> tab[] = table; if (count >= threshold) { // Rehash the table if the threshold is exceeded rehash(); tab = table; hash = key.hashCode(); index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length; } // Creates the new entry. @SuppressWarnings("unchecked") Entry<K,V> e = (Entry<K,V>) tab[index]; tab[index] = new Entry<>(hash, key, value, e); count++; }
容量扩大为原来的两倍+1
protected void rehash() { int oldCapacity = table.length; Entry<?,?>[] oldMap = table; // overflow-conscious code int newCapacity = (oldCapacity << 1) + 1; if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0) { if (oldCapacity == MAX_ARRAY_SIZE) // Keep running with MAX_ARRAY_SIZE buckets return; newCapacity = MAX_ARRAY_SIZE; } Entry<?,?>[] newMap = new Entry<?,?>[newCapacity]; modCount++; threshold = (int)Math.min(newCapacity * loadFactor, MAX_ARRAY_SIZE + 1); table = newMap; for (int i = oldCapacity ; i-- > 0 ;) { for (Entry<K,V> old = (Entry<K,V>)oldMap[i] ; old != null ; ) { Entry<K,V> e = old; old = old.next; int index = (e.hash & 0x7FFFFFFF) % newCapacity; e.next = (Entry<K,V>)newMap[index]; newMap[index] = e; } } }
2.remove操作
public synchronized V remove(Object key) { Entry<?,?> tab[] = table; int hash = key.hashCode(); int index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length; @SuppressWarnings("unchecked") Entry<K,V> e = (Entry<K,V>)tab[index]; for(Entry<K,V> prev = null ; e != null ; prev = e, e = e.next) { if ((e.hash == hash) && e.key.equals(key)) { modCount++; if (prev != null) { prev.next = e.next; } else { tab[index] = e.next; } count--; V oldValue = e.value; e.value = null; return oldValue; } } return null; }
3.get操作
public synchronized V get(Object key) { Entry<?,?> tab[] = table; int hash = key.hashCode(); int index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length; for (Entry<?,?> e = tab[index] ; e != null ; e = e.next) { if ((e.hash == hash) && e.key.equals(key)) { return (V)e.value; } } return null; }
九、TreeMap
public class TreeMap<K,V> extends AbstractMap<K,V> implements NavigableMap<K,V>, Cloneable, java.io.Serializable
基于红黑树的NavigableMap的实现，map根据key的Comparale自然顺序排序，或者根据创建时候提供的Comparator，这取决于用什么构造函数创建。
注意TreeMap使用一个树映射来维持排序，类似于其他的排序映射，不管是否有一个显式comparator被提供，只要是要正确的实现Map接口，必须与equals()返回结果一致。
1.put操作
与root值进行比较，大于root则将值插在右子树，小于则插在左子树
public V put(K key, V value) { Entry<K,V> t = root; if (t == null) { compare(key, key); // type (and possibly null) check root = new Entry<>(key, value, null); size = 1; modCount++; return null; } int cmp; Entry<K,V> parent; // split comparator and comparable paths Comparator<? super K> cpr = comparator; if (cpr != null) { do { parent = t; cmp = cpr.compare(key, t.key); if (cmp < 0) t = t.left; else if (cmp > 0) t = t.right; else return t.setValue(value); } while (t != null); } else { if (key == null) throw new NullPointerException(); @SuppressWarnings("unchecked") Comparable<? super K> k = (Comparable<? super K>) key; do { parent = t; cmp = k.compareTo(t.key); if (cmp < 0) t = t.left; else if (cmp > 0) t = t.right; else return t.setValue(value); } while (t != null); } Entry<K,V> e = new Entry<>(key, value, parent); if (cmp < 0) parent.left = e; else parent.right = e; fixAfterInsertion(e); size++; modCount++; return null; }
2.get操作
和put是同样的原理
final Entry<K,V> getEntry(Object key) { // Offload comparator-based version for sake of performance if (comparator != null) return getEntryUsingComparator(key); if (key == null) throw new NullPointerException(); @SuppressWarnings("unchecked") Comparable<? super K> k = (Comparable<? super K>) key; Entry<K,V> p = root; while (p != null) { int cmp = k.compareTo(p.key); if (cmp < 0) p = p.left; else if (cmp > 0) p = p.right; else return p; } return null; }
3.getFloorEntry
返回小于key的最大节点
final Entry<K,V> getFloorEntry(K key) { Entry<K,V> p = root; while (p != null) { int cmp = compare(key, p.key); if (cmp > 0) { if (p.right != null) p = p.right; else return p; } else if (cmp < 0) { if (p.left != null) { p = p.left; } else { Entry<K,V> parent = p.parent; Entry<K,V> ch = p; while (parent != null && ch == parent.left) { ch = parent; parent = parent.parent; } return parent; } } else return p; } return null; }
Collections.synchronizedList()
实现原理：不是线程安全的集合，通过Collections.synchronizedList()函数封装一层，内部通过synchronized对一个Object对象进行同步，来实现线程安全。
参考文献：
1.GitHub-
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