--- 集合源码口水话 --- 目录 1. ArrayList 2. Vector 3. LinkedList 4. HashMap 5. Hashtable 6. TreeMap 7. LinkedHashMap 8. HashSet 9. TreeSet 10. CopyOnWriteArrayList 11. ConcurrentHashMap #### ArrayList ArrayList 实现了 List 接口，RandomAccess 接口，可以插入空数据以及支持随机访问。它相当于一个动态数组，初始化时是一个空数组，在第一次 add 时设置初始容量为 10，每次扩容都增加到原来的 1.5 倍。简单的 add 就是在 elementData 数组末尾添加一个数据，size++；指定 index 添加数据，就需要拷贝 index 后面的数据后移一位。在删除的时，如果是删除 null，就遍历数组找到第一个 null 值删除，否则就遍历比较 equals 删除指定 index 的数据，其实也就是拷贝 index 后面的数据前移一位。删除数据时，最好使用迭代器来做，避免 CurrentModifyException，它并不只是在并发时才会抛出的，单线程也可能抛出，其实内部是比较 expectedModCount 和 modCount 是否相等来判断的。ArrayList 的性能损耗就来源于数组拷贝，在适当情况下，可以初始化时指定容量大小，避免不必要的扩容操作。其实呢，ArrayList 还有一个缺点，就是不能自动缩容，但是我们可以手动调用 trimToSize 来缩容至当前 size 大小。 还有一点是 elementData 是用 transient 修饰的，也就是拒绝数据被自动序列化，因为 ArrayList 并不是所有位置都有数据，所以没必要全部序列化，应该只序列化有数据的部分，所以它重写了 writeObject/readObjet 方法。 #### Vector Vector 感觉是一个被人抛弃的类，它在初始化时直接设置了数组初始容量为 10，在它的 get/add 等方法都加了 synchronized，完全可以看成是一个加锁的 ArrayList。 不同的是，它在扩容时默认是直接加倍的，当然这个是可以控制的，在构造方法中可以传一个增长数，这个数是需要大于 1 的，不然就按 1 处理。比如是 0.75，每次扩容就加 1，是 5 呢每次扩容就加 5。 当然，想让 ArrayList 变成线程安全的，还可以使用 Collections.synchronizedList 来做，或者呢，使用 CopyOnWriteArrayList。 #### LinkedList LinkedList 实现了 Deque 接口，说明它是一个双向链表，每一个 Node 节点都有 prev 和 next 指针，每次 add 或者 remove 时都需要更新前驱和后指针，在指定 index 位置删除时，会区分 index 如果是靠头部比较近，就从头 first 节点遍历删，否则从尾部 last 节点删。使用迭代器时，也是可以使用 ListIterator 从头或从尾遍历。 它在新增和删除时，时间复杂度 O(1)，而在查询时时间复杂度 O(n)。 #### HashMap HashMap 底层数据结构是数组 + 链表 + 红黑树。数组的主要作用是方便快速查找，时间复杂度是 O(1)，默认大小是 16，数组的下表索引是通过 key 的 hashCode 计算出来的，数组元素叫做 Node，当多个 key 的 hashCode 一致，但 key 值不相同时，即发生了 hash 冲突时，单个 Node 就会转化为链表，链表的查询复杂度是 O(n)，当链表的长度大于等于 8 并且数组的大小超过 64 时，链表就会转化为红黑树，红黑树的查询复杂度是 O(log(n))，简单来说，最坏的查询次数相当于红黑树的最大深度。 HashMap 非线程安全，如果需要满足线程安全，可以用 Collections.synchronizedMap 使得 HashMap 具有线程安全的能力，或者使用 ConcurrentHashMap。 上面已经说清楚 HashMap 的大致实现原理了，下面就说一些细节的东西。 在 HashMap 中，哈希桶数组的长度大小必须是 2 的 n 次方，这是一种非常规的设计，常规的做法是把桶大小设计为素数。相对来说，素数导致冲突的概率要小于合数。HashTable 初始化桶的大小为 11 就是把桶大小设计为素数的典型应用。HashMap 采用这种非常规的设计，主要是为了在取模和扩容时做优化，同时为了减少冲突，HashMap 在定位哈希桶索引位置时，也加入了高位参与运算的过程。 在链表长度大于等于 8 并且数组长度大于等于 64 时，才会进行树化。如果数组长度小于 64，则只会扩容而不会树化。为什么是 8 呢？这个在源码注释中说的比较清楚，大致意思是，在链表数据不多的时候，使用链表进行遍历也比较快，只有当链表数据比较多才会转化为红黑树，但红黑树的占用空间是链表的两倍，考虑到转化时间和空间消耗，所以我们需要定义出转化的边界值。在考虑设计 8 这个值的时候，参考了泊松分布概率函数，得出的结论就是当链表长度为 8 的时候，出现的概率不到千万分之一，所以说，正常情况下链表的长度不可能到达 8。 接下来讲确定哈希桶索引位置的做法。 简单的做法就是通过 hash 对数组长度取模运算得到索引，这样元素分布相对来说也是比较均匀的，但是取模运算不及位运算，HashMap 采用的是 (n-1)&hash，当 n 为 2 的次方时，(n-1)&hash 等价于取模运算，但是位运算执行效率显然是高于取模运算的。 同时，取 hash 的时候是通过 hashCode 的高十六位和低十六位异或得到，这样做在数组长度比较小的时候也能保证高位 bit 都能参与到 hash 计算中，同时不会有太大开销。 然后再讲一下扩容机制，扩容的时候是容量翻倍，也就是 x2，这也同时保证了长度依旧是 2 的次方，所以前面基于位运算取索引的优化得以保留。既然数组长度改变了，那么肯定需要重新计算索引位置呀？这里又有一个优化点，当 n 为 2 次方时，x2 不过是在高位补 1，然后在进行与运算，与 1 进行与运算就是它本身嘛。所以这时只需要看 hash 的高位是 1 还是 0，如果是 0，索引不变，如果是 1，新索引就是原索引加旧桶值。这也就避免了重新计算索引，只需要看 hash 的高位是 1 还是 0 即可。但是你可能会说，这必须得保证数组长度为 n 次方呀，我们可以在初始化 HashMap 时传一个非 2 的 n 次方的数，这就炸了。其实呢，HashMap 会根据你传的舒适容量，自动调节到 2 的 n 次方上，比如传 15 就是 16，传 17 呢就是 32，向上转一个最接近的 2 次幂数。 最后，在这里面我并没有将 HashMap 的具体 put/remove/get 的实现，这些其实就是数组或链表或红黑树的操作，数组和链表大家都很熟悉了，红黑树我也不是很懂，只需要记得每次 put/remove 时，都会进行着色和旋转，使得红黑树更加平衡。再不济就把红黑树看成一颗二叉搜索树也行趴。 #### Hashtable 首先这个 Hashtable 的命名就有点离谱，没有遵循驼峰命名法。它的实现是通过一个 Entry 数组来做的，put/remove/get 都加了 synchronized，是线程安全的，它的取 index 是 (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length，前面和 0x7FFFFFF 是为了让 hash 值变为正数，那你可能会问，为啥不用 Math.abs 呢，其实在数值溢出时，abs 也是可能会得到负值的；HashMap 的可以只有一个 key 为 null，多个 value 为 null 的，而 Hashtable 是不允许 key/value 为 null 的，不然直接抛空指针。 Hashtable 在扩容时，是 x2 + 1 的。Hashtable 在处理 hash冲突时，是插入到链表的头部，即头插法。 #### TreeMap TreeMap 底层的数据结构就是红黑树，和 HashMap 的红黑树结构一样。不同的是，TreeMap 通过 compare 来比较 key 的大小，然后利用红黑树左小右大的特性，为每个 key 找到自己的位置，维护了 key 的大小关系，适用于 key 需要排序的场景。 因为底层使用的是红黑树的结构，所以它的 put/remove/get 等方法实际复杂度都是 log(n) 的。 #### LinkedHashMap HashMap 是无序的，TreeMap 可以按照 key 进行排序，那有没有 Map 是可以维护插入顺序的呢？这就是 LinkedHashMap。 LinkedHashMap 本身是继承 HashMap 的，所以它拥有 HashMap 的所有特性，在此基础上还提供了两大特性，第一个是按照插入顺序访问，第二个呢是实现了最近最少使用策略，这个需要在构造方法中传一个 accessOrder = true，默认是 false 也就是按照插入顺序访问。 在我们调用 put/remove 方法时，其实是调用的 HashMap 的 put/remove 方法，而重写了 get 方法实现了以上特性。那么它是如何基于 HashMap 实现了以上特性的呢？其实是通过重写 HashMap 里面的三个方法，这个三个方法是每当 HashMap 调用 put/get/remove 时都会调用的，只不过在 HashMap 中是一个空实现，而在 LinkedHashMap 中它被用来记录插入顺序，其实也就是扩展 HashMap 的 Node 使其具备链表结构，也就是每个数组元素增加 befor 和 after 属性。 但是呢，LinkedHashMap 只提供了单向访问，即按照插入的顺序从头到尾进行访问，不能像 LinkedList 那样可以双向访问。 在使用 LRU 策略时，可以覆写删除策略的方法 removeEldestEntry 方法，比如可以指定当节点数大于 10 就开始头结点（size() > 10）等等。 #### HashSet HashSet 的源码还是很少的，它保证了每个元素是不会重复的。在它的构造方法中，其实是 new HashMap 来做的，一般我们只使用它的 add 和 contains 方法，其实都是调用 HashMap 来实现的。 这个类也没说可说的了，代码就那几十行。 #### TreeSet TreeSet 大致的结构和 HashSet 相似，底层组合的是 TreeMap，所以继承了 TreeMap key 能够排序的功能，同时也具有 Set 不可重复的属性。 TreeSet 的 add 方法是调用 NavigableMap 的 put 方法的，它是一个接口，它的实现是在 TreeMap 中，也就是说，TreeSet 定义了接口的规范，TreeMap 负责去实现。 TreeSet 基本上不常用，一般需要不重复元素且能根据元素进行排序的时候，才会用到 TreeSet，使用时需要我们注意最好实现 Comparable 接口，这样方便底层的 TreeMap 根据 key 进行排序。 #### CopyOnWriteArrayList CopyOnWriteArrayList 是一个线程安全的 ArrayList，它是通过 synchronized + 数组拷贝 + volatile 关键字保证了线程安全。在它 add value 时，是先 synchronized 加锁保证同一时刻只有一个线程执行 add 方法，再拷贝一份新数组，把 value 加到新数组里面，最后再把新数组赋值给原数组。你可能会问了，这都加锁了，为啥不在原数组上面直接操作呢？原因主要有两个： 1. volatile 关键字修饰的是数组，如果只是简单的在原数组上修改其中某几个元素的值，是无法触发可见性的，我们必须通过修改数组的内存地址才行，也就说要对数组进行重新赋值才行 2. 在新的数组上进行拷贝，对老数组没有任何影响，只有新数组完全拷贝完成之后，外部才能访问到，降低了在赋值过程中，老数组数据变动的影响 remove 时和 add 相似，就不多说了。 CopyOnWriteArrayList 读的时候不需要加锁，适合读多写少的场景，但是每次变动数组，都会拷贝一份新数组，可能会加重 GC。 #### ConcurrentHashMap ConcurrentHashMap 是一个线程安全的 HashMap，它是不允许 key 或 value 为 null 的。它的底层也是使用数组 + 链表 + 红黑树来实现的，