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JAVA集合框架的特点及实现原理简介

1.集合框架总体架构

JAVA集合框架的特点及实现原理简介

集合大致分为Set、List、Queue、Map四种体系,其中List,Set,Queue继承自Collection接口，Map为独立接口
Set的实现类有:HashSet，LinkedHashSet，TreeSet...
List下有ArrayList，Vector，LinkedList...
Map下有Hashtable，LinkedHashMap，HashMap，TreeMap...

list	有序，可重复	ArrayList:数组，查询快，增删慢。线程不安全. Vector:数组，查询快，增删慢。线程安全. LinkedList:链表，查询慢，增删快。线程不安全
set	无序(不严谨)，唯一	HashSet:无序,唯一,哈希表实现,通过hashCode()和equals()保证唯一。 LinkedHashSet:继承自hashset,底层是链表和哈希表。(FIFO插入有序,唯一) TreeSet:底层是红黑树。(唯一，有序)
map	KV形式的键值对	TreeMap:有序,不是线程安全的。 HashMap:无序,不是线程安全的,HashMap允许null值（key和value都允许） HashTable:无序,线程安全的,不允许null值,

2. Set

Set 接口继承Collection，用于存储不含重复元素的集合。

HashSet

底层是哈希表，当插入元素时，HashSet会调用该对象的hashCode()方法得到hashCode，然后根据hashCode决定该对象在哈希表中的存储位置。 (这里有个问题，如果hashcode不是均匀分布的，而是集中在一个区域，极端情况下，hash表会变成链表)

HashSet去重原理：通过equals()方法比较，且其hashCode()方法返回值也相等。 （可以通过覆写hashCode和equals方法改变其去重规则，进行自定义去重）

TreeSet

TreeSet底层是红黑树;加入元素时，必须加入同类型的对象，否则会发生ClassCastException异常，因为TreeSet会调用集合元素的compareTo()方法来比较元素之间的大小关系（自然排序）。

compareTo()方法的返回值决定了顺序:

-1 表示放在红黑树的左边,即逆序输出;
1 表示放在红黑树的右边，即顺序输出;
0 表示元素相同，仅存放第一个元素自然排序（treeset去重的原理）;

其次，TreeSet也可以通过比较器排序。

LinkedHashSet

继承自HashSet,底层是链表和哈希表。

由链表保证元素有序(插入顺序)。
由哈希表保证元素唯一

TreeSet, LinkedHashSet and HashSet 的区别

都实现Set接口,不包含重复元素
都不是线程安全的，如果要使用线程安全可以Collections.synchronizedSet()
TreeSet的主要功能用于排序
LinkedHashSet的主要功能用于保证FIFO,即有序的集合(先进先出)
HashSet只是通用的存储数据的集合
插入速度: HashSet>LinkHashSet>TreeSet(内部实现排序)
HashSet不保证顺序，LinkHashSet保证FIFO(先进先出)，TreeSet安装内部实现排序，也可以自定义排序规则
HashSet和LinkHashSet允许null, (只能有一个null) 但TreeSet中插入null时会报NullPointerException

3. List

list的实现类有ArrayList,Vector,LinkedList...其中ArrayList和Vector很相似，均是以数组作为底层实现，不同之处在于Vector是线程安全的。

ArrayList

ArrayList基于数组实现,不是线程安全的,内部维护了一个可变长的对象数组,集合内所有元素存储于这个数组中，并实现该数组长度的动态伸缩。

ArrayList使用数组拷贝来实现指定位置的插入和删除。

LinkedList

LinkedList内部以链表的形式来保存元素，因此随机访问集合时性能较差，但插入,删除元素时性能较好。

LinkedList不仅实现了List接口,还实现了Deque接口，可以被当成双端队列来使用，即可被当成“栈”来使用，也可以当成队列使用。

ArrayList 和LinkedList比较

两者都是List接口的实现类,都不是线程安全。List的另外一个实现类vector是线程安全的。
ArrayList是基于动态数组的数据结构，而LinkedList是基于链表的数据结构。
对于随机访问get和set（查询操作），ArrayList要优于LinkedList.(LinkedList要移动指针)
对于增删操作（add和remove），LinkedList优于ArrayList。

4. Map

Map集合用于保存映射关系的数据，Map集合中保存了两组值，一组是 key，一组是 value。

Map的key不能重复。

key和value之间存在单向一对一的关系，通过key，能找到唯一确定的value。

Map将key和value封装至一个叫做Entry的对象中，Map中存储的元素实际是Entry。只有在keySet()和values()方法被调用时，Map才会将keySet和values对象实例化。

HashMap

key 是通过hash表来存储，value是通过链表来存储。

HashMap将Entry对象存储在一个数组中，并通过哈希表来实现对Entry的快速访问。 （通过key的哈希值计算Entry在数组中的index，以此访问value） （拉链法，解决hash碰撞）

HashTable

几乎和HashMap一样，都是通过数组存储Entry，以key的哈希值计算Entry在数组中的index，用拉链法解决哈希冲突。二者最大的不同在于， Hashtable是线程安全的，其提供的方法几乎都是同步的。

ConcurrentHashMap

ConcurrentHashMap是HashMap的线程安全版，提供比Hashtable更高效的并发性能。

Hashtable 在进行读写操作时会锁住整个Entry数组，这就导致数据越多性能越差。

ConcurrentHashMap使用分离锁的思路解决并发性能，其将 Entry数组拆分至16个Segment中，以哈希算法决定Entry应该存储在哪个Segment。这样就可以实现在写操作时只对一个Segment 加锁，大幅提升了并发写的性能。

在进行读操作时，ConcurrentHashMap在绝大部分情况下都不需要加锁，其Entry中的value是volatile的，这保证了value被修改时的线程可见性，无需加锁便能实现线程安全的读操作。

ConcurrentHashMap它不能保证读操作的绝对一致性。ConcurrentHashMap保证读操作能获取到已存在Entry的value的最新值，同时也能保证读操作可获取到已完成的写操作的内容，但如果写操作是在创建一个新的Entry，那么在写操作没有完成时，读操作是有可能获取不到这个Entry的。

HashMap和HashTable,ConcurrentHashMap的区别

三者在数据存储层面的机制原理基本一致
HashMap不是线程安全的
Hashtable是线程安全的，能保证绝对的数据一致性
ConcurrentHashMap 也是线程安全的，使用分离锁和volatile等方法极大地提升了读写性能，同时也能保证在绝大部分情况下的数据一致性。但其不能保证绝对的数据一致性，在一个线程向Map中加入Entry的操作没有完全完成之前，其他线程有可能读不到新加入的Entry
HashTable不允许使用null作为key和value，如果放入null将引发NullPointerException异常，但HashMap可以使用null作为key或value（只能有一个key为null,可以多个value为null）。
如果在遍历的同时，修改HashTable的大小，容易应发异常。可以用代替，ConcurrentHashMap是HashMap的线程安全版，提供比Hashtable更高效的并发性能

参考资料：

JAVA集合框架中的常用集合及其特点、适用场景、实现原理简介

java集合框架总结以及源码分析

原文 https://segmentfault.com/a/1190000020363035

正文到此结束