Java容器（List、Set、Map）知识点快速复习手册（上）

前言

本文快速回顾了Java中容器的知识点，用作面试复习，事半功倍。

上篇：主要为容器概览，容器中用到的设计模式，List源码

中篇：Map源码

下篇：Set源码，容器总结

其它知识点复习手册

概览

容器主要包括 Collection 和 Map 两种，Collection 又包含了 List、Set 以及 Queue。

Collection

数组和集合的区别:

• 长度

• 数组的长度固定

• 集合的长度可变

• 内容

• 数组存储的是同一种类型的元素

• 集合可以存储不同类型的元素(但是一般我们不这样干..)

• 元素的数据类型

• 数组可以存储基本数据类型,也可以存储引用类型

• 集合只能存储引用类型(若存储的是简单的int，它会自动装箱成Integer)

1. Set（元素不可重复）

• HashSet：基于HashMap实现，支持快速查找，但不支持有序性操作。

• TreeSet：基于红黑树实现，支持有序性操作，但是查找效率不如 HashSet，HashSet 查找时间复杂度为 O(1)，TreeSet 则为 O(logN)；

• LinkedHashSet：具有 HashSet 的查找效率，且内部使用链表维护元素的插入顺序。

2. List（有序(存储顺序和取出顺序一致)，可重复）

• ArrayList：基于动态数组实现，支持随机访问；

• Vector：和 ArrayList 类似，但它是线程安全的；

• LinkedList：基于双向链表实现，只能顺序访问，但是可以快速地在链表中间插入和删除元素。不仅如此，LinkedList 还可以用作栈、队列和双向队列。

3. Queue

• LinkedList：可以用它来支持双向队列；

• PriorityQueue：基于堆结构实现，可以用它来实现优先队列。

Map

• HashMap：基于哈希实现；

• HashTable：和 HashMap 类似，但它是线程安全的，这意味着同一时刻多个线程可以同时写入 HashTable 并且不会导致数据不一致。它是遗留类，不应该去使用它。

• ConcurrentHashMap：支持线程安全，并且 ConcurrentHashMap 的效率会更高，因为 ConcurrentHashMap 引入了分段锁。

• LinkedHashMap：使用链表来维护元素的顺序，顺序为插入顺序或者最近最少使用（LRU）顺序。

• TreeMap：基于红黑树实现。

Fail-Fast 机制和 Fail-Safe 机制

https://blog.csdn.net/Kato_op/article/details/80356618

Fail-Fast

Fail-fast 机制是 java 集合(Collection)中的一种错误机制。 当多个线程对同一个集合的内容进行操作时，就可能会产生 fail-fast 事件。

• 迭代器在遍历时直接访问集合中的内容,并且在遍历过程中使用一个modCount变量,

• 集合中在被遍历期间如果内容发生变化(增删改),就会改变modCount的值,

• 每当迭代器使用 hashNext()/next()遍历下一个元素之前,都会执行checkForComodification()方法检测，modCount变量和expectedmodCount值是否相等,

• 如果相等就返回遍历,否则抛出异常,终止遍历.

注意，如果集合发生变化时修改modCount值, 刚好有设置为了expectedmodCount值, 则异常不会抛出.(比如删除了数据,再添加一条数据)

所以，一般来说，存在非同步的并发修改时，不可能作出任何坚决的保证。

迭代器的快速失败行为应该仅用于检测程序错误, 而不是用他来同步。

java.util包下的集合类都是Fail-Fast机制的,不能在多线程下发生并发修改(迭代过程中被修改).

Fail-Safe

采用安全失败（Fail-Safe）机制的集合容器,在遍历时不是直接在集合内容上访问的，而是先copy原有集合内容,在拷贝的集合上进行遍历。

原理:

由于迭代时是对原集合的拷贝的值进行遍历,所以在遍历过程中对原集合所作的修改并不能被迭代器检测到,所以不会出发ConcurrentModificationException

缺点:

迭代器并不能访问到修改后的内容(简单来说就是, 迭代器遍历的是开始遍历那一刻拿到的集合拷贝,在遍历期间原集合发生的修改迭代器是不知道的)

使用场景:

java.util.concurrent包下的容器都是Fail-Safe的,可以在多线程下并发使用,并发修改

容器中使用的设计模式

迭代器模式

• Iterator它是在ArrayList等集合的内部类的方式实现

Collection 实现了 Iterable 接口，其中的 iterator() 方法能够产生一个 Iterator 对象，通过这个对象就可以迭代遍历 Collection 中的元素。

从 JDK 1.5 之后可以使用 foreach 方法来遍历实现了 Iterable 接口的聚合对象。

1. List<String> list = new ArrayList<>();

2. list.add("a");

3. list.add("b");

4. for (String item : list) {

5.    System.out.println(item);

6. }

适配器模式

适配器模式解释：https://www.jianshu.com/p/93821721bf08

java.util.Arrays#asList() 可以把数组类型转换为 List 类型。

1. @SafeVarargs

2. public static <T> List<T> asList(T... a)

如果要将数组类型转换为 List 类型，应该注意的是 asList() 的参数为泛型的变长参数，因此不能使用基本类型数组作为参数，只能使用相应的包装类型数组。

1. Integer[] arr = {1, 2, 3};

2. List list = Arrays.asList(arr);

也可以使用以下方式生成 List。

1. List list = Arrays.asList(1,2,3);

源码分析

ArrayList

关键词

• 默认大小为 10

• 扩容 1.5 倍，加载因子为 0.5

• 基于动态数组实现

• 删除元素时不会减少容量，若希望减少容量则调用trimToSize()

• 它不是线程安全的

• 它能存放null值。

• 扩容操作需要调用 Arrays.copyOf() 把原数组整个复制到新数组

• 删除需要调用 System.arraycopy() 将 index+1 后面的元素都复制到 index 位置上，复制的代价很高。 -序列化：只序列化数组中有元素填充那部分内容

概览

实现了 RandomAccess 接口，因此支持随机访问。这是理所当然的，因为 ArrayList 是基于数组实现的。

1. public class ArrayList<E> extends AbstractList<E>

2.        implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable

扩容

如果不够时，需要使用 grow() 方法进行扩容，新容量的大小为 oldCapacity+(oldCapacity>>1)，也就是旧容量的 1.5 倍。

扩容操作需要调用 Arrays.copyOf() 把原数组整个复制到新数组中

因此最好在创建 ArrayList 对象时就指定大概的容量大小，减少扩容操作的次数。

1. public boolean add(E e) {

2.    ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!

3.    elementData[size++] = e;

4.    return true;

5. }

6. private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {

7.    if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {

8.        minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);

9.    }

10.    ensureExplicitCapacity(minCapacity);

11. }

12. private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {

13.    modCount++;

14.    // overflow-conscious code

15.    if (minCapacity - elementData.length > 0)

16.        grow(minCapacity);

17. }

18. private void grow(int minCapacity) {

19.    // overflow-conscious code

20.    int oldCapacity = elementData.length;

21.    int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);

22.    if (newCapacity - minCapacity < 0)

23.        newCapacity = minCapacity;

24.    if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)

25.        newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);

26.    // minCapacity is usually close to size, so this is a win:

27.    elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);

28. }

加入元素：add

add(E e)

首先去检查一下数组的容量是否足够

• 足够：直接添加

• 不足够：扩容

扩容到原来的1.5倍，第一次扩容后，如果容量还是小于minCapacity，就将容量扩充为minCapacity。

add(int index, E element)

步骤：

• 检查角标

• 空间检查，如果有需要进行扩容

• 插入元素

删除元素：remove

步骤：

• 检查角标

• 删除元素

• 计算出需要移动的个数，并移动

• 设置为null，让GC回收（所以说不是立刻回收，而是等待GC回收）

1. public E remove(int index) {

2.    rangeCheck(index);

3.    modCount++;

4.    E oldValue = elementData(index);

5.    int numMoved = size - index - 1;

6.    if (numMoved > 0)

7.        System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index, numMoved);

8.    elementData[--size] = null; // clear to let GC do its work

9.    return oldValue;

10. }

需要调用 System.arraycopy() 将 index+1 后面的元素都复制到 index 位置上，复制的代价很高。

复制数组：System.arraycopy()

看到arraycopy()，我们可以发现：该方法是由C/C++来编写的

Fail-Fast

modCount 用来记录 ArrayList 结构发生变化的次数。结构发生变化是指添加或者删除至少一个元素的所有操作，或者是调整内部数组的大小，仅仅只是设置元素的值不算结构发生变化。

在进行序列化或者迭代等操作时，需要比较操作前后 modCount 是否改变，如果改变了需要抛出 ConcurrentModificationException。

1. private void writeObject(java.io.ObjectOutputStream s)

2.    throws java.io.IOException{

3.    // Write out element count, and any hidden stuff

4.    int expectedModCount = modCount;

5.    s.defaultWriteObject();

6.    // Write out size as capacity for behavioural compatibility with clone()

7.    s.writeInt(size);

8.    // Write out all elements in the proper order.

9.    for (int i=0; i<size; i++) {

10.        s.writeObject(elementData[i]);

11.    }

12.    if (modCount != expectedModCount) {

13.        throw new ConcurrentModificationException();

14.    }

15. }

构造器

ArrayList 提供了三种方式的构造器：

• public ArrayList()可以构造一个默认初始容量为10的空列表；

• public ArrayList(int initialCapacity)构造一个指定初始容量的空列表；

• public ArrayList(Collection c)构造一个包含指定 collection 的元素的列表，这些元素按照该collection的迭代器返回它们的顺序排列的。

序列化

补充：transient讲解

http://www.importnew.com/21517.html

你只需要实现Serilizable接口，将不需要序列化的属性前添加关键字transient，序列化对象的时候，这个属性就不会序列化到指定的目的地中。

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。

保存元素的数组 elementData 使用 transient 修饰，该关键字声明数组默认不会被序列化。

1. transient Object[] elementData; // non-private to simplify nested class access

ArrayList 实现了 writeObject() 和 readObject() 来控制只序列化数组中有元素填充那部分内容。

1. private void readObject(java.io.ObjectInputStream s)

2.    throws java.io.IOException, ClassNotFoundException {

3.    elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;

4.    // Read in size, and any hidden stuff

5.    s.defaultReadObject();

6.    // Read in capacity

7.    s.readInt(); // ignored

8.    if (size > 0) {

9.        // be like clone(), allocate array based upon size not capacity

10.        ensureCapacityInternal(size);

11.        Object[] a = elementData;

12.        // Read in all elements in the proper order.

13.        for (int i=0; i<size; i++) {

14.            a[i] = s.readObject();

15.        }

16.    }

17. }

1. private void writeObject(java.io.ObjectOutputStream s)

2.    throws java.io.IOException{

3.    // Write out element count, and any hidden stuff

4.    int expectedModCount = modCount;

5.    s.defaultWriteObject();

6.    // Write out size as capacity for behavioural compatibility with clone()

7.    s.writeInt(size);

8.    // Write out all elements in the proper order.

9.    for (int i=0; i<size; i++) {

10.        s.writeObject(elementData[i]);

11.    }

12.    if (modCount != expectedModCount) {

13.        throw new ConcurrentModificationException();

14.    }

15. }

序列化时需要使用 ObjectOutputStream 的 writeObject() 将对象转换为字节流并输出。而 writeObject() 方法在传入的对象存在 writeObject() 的时候会去反射调用该对象的 writeObject() 来实现序列化。反序列化使用的是 ObjectInputStream 的 readObject() 方法，原理类似。

1. ArrayList list = new ArrayList();

2. ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream(file));

3. oos.writeObject(list);

Vector

关键词

• 默认大小为 10（与Arraylist相同）

• 扩容 2 倍，加载因子是 1（Arraylist是扩容 1.5 倍，加载因子为 0.5）

• 其它几乎与ArrayList完全相同，唯一的区别在于 Vector 是同步的，因此开销就比 ArrayList 要大，访问速度更慢。

• 使用了 synchronized 进行同步

• Vector是jdk1.2的类了，比较老旧的一个集合类。应使用JUC的CopyOnWriteArrayList代替

替代方案

可以使用 Collections.synchronizedList(); 得到一个线程安全的 ArrayList。

1. List<String> list = new ArrayList<>();

2. List<String> synList = Collections.synchronizedList(list);

也可以使用 concurrent 并发包下的 CopyOnWriteArrayList 类。

1. List<String> list = new CopyOnWriteArrayList<>();

CopyOnWriteArrayList

关键词

• 写操作在一个复制的数组上进行，读操作还是在原始数组中进行，读写分离，互不影响。

• 写操作需要加锁，防止并发写入时导致写入数据丢失。

• 写操作结束之后需要把原始数组指向新的复制数组。

• 适用于读操作远大于写操作的场景。

读写分离

1. public boolean add(E e) {

2.    final ReentrantLock lock = this.lock;

3.    lock.lock();

4.    try {

5.        Object[] elements = getArray();

6.        int len = elements.length;

7.        Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);

8.        newElements[len] = e;

9.        setArray(newElements);

10.        return true;

11.    } finally {

12.        lock.unlock();

13.    }

14. }

15. final void setArray(Object[] a) {

16.    array = a;

17. }

1. @SuppressWarnings("unchecked")

2. private E get(Object[] a, int index) {

3.    return (E) a[index];

4. }

适用场景

CopyOnWriteArrayList 在写操作的同时允许读操作，大大提高了读操作的性能，因此很适合读多写少的应用场景。

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读数组中。

所以 CopyOnWriteArrayList 不适合内存敏感以及对实时性要求很高的场景。

LinkedList

关键词

• 双向链表

• 默认大小为 10

• 带 Head 和 Tail 指针

• Node 存储节点信息

概览

基于双向链表实现，内部使用 Node 来存储链表节点信息。

1. private static class Node<E> {

2.    E item;

3.    Node<E> next;

4.    Node<E> prev;

5. }

每个链表存储了 Head 和 Tail 指针：

1. transient Node<E> first;

2. transient Node<E> last;

ArrayList 与 LinkedList 比较

• ArrayList 基于动态数组实现，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。

删除元素：remove

获取元素：get

• 下标小于长度的一半，从头遍历

• 反之，从尾部遍历

替换元素：set

set方法和get方法其实差不多，根据下标来判断是从头遍历还是从尾遍历

其他方法

LinkedList实现了Deque接口，因此，我们可以操作LinkedList像操作队列和栈一样

LinkedList的方法比ArrayList的方法多太多了，这里我就不一一说明了。具体可参考：

• https://blog.csdn.net/panweiwei1994/article/details/77110354

• https://zhuanlan.zhihu.com/p/24730576

• https://zhuanlan.zhihu.com/p/28373321

参考

• https://github.com/CyC2018/CS-Notes/blob/master/docs/notes/Java%20%E5%AE%B9%E5%99%A8.md

• Eckel B. Java 编程思想 [M]. 机械工业出版社, 2002.

• Java Collection Framework

• Iterator 模式

• Java 8 系列之重新认识 HashMap

• What is difference between HashMap and Hashtable in Java?

• Java 集合之 HashMap

• The principle of ConcurrentHashMap analysis

• 探索 ConcurrentHashMap 高并发性的实现机制

• HashMap 相关面试题及其解答

• Java 集合细节（二）：asList 的缺陷

• Java Collection Framework – The LinkedList Class

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