容器之知识点总结

待我称王封你为后i 2023-06-01 12:50 2阅读 0赞

### 1.List,Set与Map ###

*  **List(有序可重复)：** List接口存储一组不唯一（可以有多个元素引用相同的对象），有序的对象
 *  **Set(无序不重复):** 不允许重复的集合。不会有多个元素引用相同的对象。
 *  **Map(无序不重复):** 使用键值对存储。Map会维护与Key有关联的值。两个Key可以引用相同的对象，但Key不能重复。

### 2.ArrayList与LinkedList ###

*  **1. 是否保证线程安全：** `ArrayList` 和 `LinkedList` 都是不同步的，也就是不保证线程安全；
 *  **2. 底层数据结构：** `Arraylist` 底层使用的是 **`Object` 数组**；`LinkedList` 底层使用的是 **双向链表** 数据结构（JDK1.6之前为循环链表，JDK1.7取消了循环。注意双向链表和双向循环链表的区别！）
 *  **3. 插入和删除是否受元素位置的影响：** ① **`ArrayList` 采用数组存储，所以插入和删除元素的时间复杂度受元素位置的影响。** 比如：执行`add(E e)`方法的时候， `ArrayList` 会默认在将指定的元素追加到此列表的末尾，这种情况时间复杂度就是O(1)。但是如果要在指定位置 i 插入和删除元素的话（`add(int index, E element)`）时间复杂度就为 O(n-i)。因为在进行上述操作的时候集合中第 i 和第 i 个元素之后的(n-i)个元素都要执行向后位/向前移一位的操作。 ② **`LinkedList` 采用链表存储，所以插入，删除元素时间复杂度不受元素位置的影响，都是近似 O（1）而数组为近似 O（n）。**
 *  **4. 是否支持快速随机访问：** `LinkedList` 不支持高效的随机元素访问，而 `ArrayList` 支持。快速随机访问就是通过元素的序号快速获取元素对象(对应于`get(int index)`方法)。
 *  **5. 内存空间占用：** ArrayList的空 间浪费主要体现在在list列表的结尾会预留一定的容量空间，而LinkedList的空间花费则体现在它的每一个元素都需要消耗比ArrayList更多的空间（因为要存放直接后继和直接前驱以及数据）。

### 3.ArrayList与Vector ###

Vector类的所有方法都是同步的。可以由两个线程安全地访问一个Vector对象、但是一个线程访问Vector的话代码要在同步操作上耗费大量的时间。

Arraylist不是同步的，所以在不需要保证线程安全时时建议使用Arraylist。

### 4.HashMap底层实现 ###

**JDK1.8之前：**

JDK1.8 之前 `HashMap` 底层是 **数组和链表** 结合在一起使用也就是 **链表散列**。**HashMap 通过 key 的 hashCode 经过扰动函数处理过后得到 hash 值，然后通过 (n - 1) & hash 判断当前元素存放的位置（这里的 n 指的是数组的长度），如果当前位置存在元素的话，就判断该元素与要存入的元素的 hash 值以及 key 是否相同，如果相同的话，直接覆盖，不相同就通过拉链法解决冲突。**

**所谓扰动函数指的就是 HashMap 的 hash 方法。使用 hash 方法也就是扰动函数是为了防止一些实现比较差的 hashCode() 方法 换句话说使用扰动函数之后可以减少碰撞。**

**JDK 1.8 HashMap 的 hash 方法源码:**

JDK 1.8 的 hash方法 相比于 JDK 1.7 hash 方法更加简化，但是原理不变。

static final int hash(Object key) {
          int h;
          // key.hashCode()：返回散列值也就是hashcode
          // ^ ：按位异或
          // >>>:无符号右移，忽略符号位，空位都以0补齐
          return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
      }

对比一下 JDK1.7的 HashMap 的 hash 方法源码.

static int hash(int h) {
        // This function ensures that hashCodes that differ only by
        // constant multiples at each bit position have a bounded
        // number of collisions (approximately 8 at default load factor).
    
        h ^= (h >>> 20) ^ (h >>> 12);
        return h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4);
    }

相比于 JDK1.8 的 hash 方法 ，JDK 1.7 的 hash 方法的性能会稍差一点点，因为毕竟扰动了 4 次。

所谓 **“拉链法”** 就是：将链表和数组相结合。也就是说创建一个链表数组，数组中每一格就是一个链表。若遇到哈希冲突，则将冲突的值加到链表中即可。

![jdk1.8之前的内部结构-HashMap][jdk1.8_-HashMap]

**JDK1.8之后：**

相比于之前的版本， JDK1.8之后在解决哈希冲突时有了较大的变化，当链表长度大于阈值（默认为8）时，将链表转化为红黑树，以减少搜索时间。

![jdk1.8之后的内部结构-HashMap][jdk1.8_-HashMap 1]

> TreeMap、TreeSet以及JDK1.8之后的HashMap底层都用到了红黑树。红黑树就是为了解决二叉查找树的缺陷，因为二叉查找树在某些情况下会退化成一个线性结构。

**推荐阅读：**

*  [Java 8系列之重新认识HashMap][Java 8_HashMap]

### 5.HashSet如何检查重复 ###

当你把对象加入`HashSet`时，HashSet会先计算对象的`hashcode`值来判断对象加入的位置，同时也会与其他加入的对象的hashcode值作比较，如果没有相符的hashcode，HashSet会假设对象没有重复出现。但是如果发现有相同hashcode值的对象，这时会调用`equals（）`方法来检查hashcode相等的对象是否真的相同。如果两者相同，HashSet就不会让加入操作成功。

**hashCode（）与equals（）的相关规定：**

1.  如果两个对象相等，则hashcode一定也是相同的
2.  两个对象相等,对两个equals方法返回true
3.  两个对象有相同的hashcode值，它们也不一定是相等的
4.  综上，equals方法被覆盖过，则hashCode方法也必须被覆盖
5.  hashCode()的默认行为是对堆上的对象产生独特值。如果没有重写hashCode()，则该class的两个对象无论如何都不会相等（即使这两个对象指向相同的数据）。

**==与equals的区别**

1.  ==是判断两个变量或实例是不是指向同一个内存空间 equals是判断两个变量或实例所指向的内存空间的值是不是相同
2.  ==是指对内存地址进行比较 equals()是对字符串的内容进行比较
3.  ==指引用是否相同 equals()指的是值是否相同

### 6.HashMap与Hashtable ###

1.  **线程是否安全：** HashMap 是非线程安全的，HashTable 是线程安全的；HashTable 内部的方法基本都经过`synchronized` 修饰。（如果你要保证线程安全的话就使用 ConcurrentHashMap 吧！）；
2.  **效率：** 因为线程安全的问题，HashMap 要比 HashTable 效率高一点。另外，HashTable 基本被淘汰，不要在代码中使用它；
3.  **对Null key 和Null value的支持：** HashMap 中，null 可以作为键，这样的键只有一个，可以有一个或多个键所对应的值为 null。。但是在 HashTable 中 put 进的键值只要有一个 null，直接抛出 NullPointerException。
4.  **初始容量大小和每次扩充容量大小的不同 ：** ①创建时如果不指定容量初始值，Hashtable 默认的初始大小为11，之后每次扩充，容量变为原来的2n+1。HashMap 默认的初始化大小为16。之后每次扩充，容量变为原来的2倍。②创建时如果给定了容量初始值，那么 Hashtable 会直接使用你给定的大小，而 HashMap 会将其扩充为2的幂次方大小（HashMap 中的`tableSizeFor()`方法保证，下面给出了源代码）。也就是说 HashMap 总是使用2的幂作为哈希表的大小。
5.  **底层数据结构：** JDK1.8 以后的 HashMap 在解决哈希冲突时有了较大的变化，当链表长度大于阈值（默认为8）时，将链表转化为红黑树，以减少搜索时间。Hashtable 没有这样的机制。

**HasMap 中带有初始容量的构造函数：**

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);
        }
         public HashMap(int initialCapacity) {
            this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
        }

下面这个方法保证了 HashMap 总是使用2的幂作为哈希表的大小。

/**
         * 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;
        }

### 7.HashMap与HashSet ###

如果你看过 HashSet 源码的话就应该知道：HashSet 底层就是基于 HashMap 实现的。（HashSet 的源码非常非常少，因为除了 clone() 方法、writeObject()方法、readObject()方法是 HashSet 自己不得不实现之外，其他方法都是直接调用 HashMap 中的方法。）

![HashSet 和 HashMap 区别][HashSet _ HashMap]

### 8.ConcurrentHashMap与HashMap ###

1.  ConcurrentHashMap对整个桶数组进行了分割分段(Segment)，然后在每一个分段上都用lock锁进行保护，相对于HashTable的synchronized锁的粒度更精细了一些，并发性能更好，而HashMap没有锁机制，不是线程安全的。（JDK1.8之后ConcurrentHashMap启用了一种全新的方式实现,利用CAS算法。）
2.  HashMap的键值对允许有null，但是ConCurrentHashMap都不允许。

**推荐阅读：**

[HashMap与ConcurrentHashMap的区别][HashMap_ConcurrentHashMap]

[HashMap? ConcurrentHashMap? 相信看完这篇没人能难住你][HashMap_ ConcurrentHashMap_]

### 9.ConcurrentHashMap与Hashtable ###

ConcurrentHashMap 和 Hashtable 的区别主要体现在实现线程安全的方式上不同。

*  **底层数据结构：** JDK1.7的 ConcurrentHashMap 底层采用 **分段的数组+链表** 实现，JDK1.8 采用的数据结构跟HashMap1.8的结构一样，数组+链表/红黑二叉树。Hashtable 和 JDK1.8 之前的 HashMap 的底层数据结构类似都是采用 **数组+链表** 的形式，数组是 HashMap 的主体，链表则是主要为了解决哈希冲突而存在的；
 *  **实现线程安全的方式（重要）：** ① **在JDK1.7的时候，ConcurrentHashMap（分段锁）** 对整个桶数组进行了分割分段(Segment)，每一把锁只锁容器其中一部分数据，多线程访问容器里不同数据段的数据，就不会存在锁竞争，提高并发访问率。 **到了 JDK1.8 的时候已经摒弃了Segment的概念，而是直接用 Node 数组+链表+红黑树的数据结构来实现，并发控制使用 synchronized 和 CAS 来操作。（JDK1.6以后 对 synchronized锁做了很多优化）** 整个看起来就像是优化过且线程安全的 HashMap，虽然在JDK1.8中还能看到 Segment 的数据结构，但是已经简化了属性，只是为了兼容旧版本；② **Hashtable(同一把锁)** :使用 synchronized 来保证线程安全，效率非常低下。当一个线程访问同步方法时，其他线程也访问同步方法，可能会进入阻塞或轮询状态，如使用 put 添加元素，另一个线程不能使用 put 添加元素，也不能使用 get，竞争会越来越激烈效率越低。

**两者的对比图：**

**HashTable:**

![HashTable全表锁][HashTable]

**JDK1.7的ConcurrentHashMap：**

![JDK1.7的ConcurrentHashMap][JDK1.7_ConcurrentHashMap]

**JDK1.8的ConcurrentHashMap（TreeBin: 红黑二叉树节点 Node: 链表节点）：**

![JDK1.8的ConcurrentHashMap][JDK1.8_ConcurrentHashMap]

图片来源：[ConcurrentHashMap实现原理及源码分析][ConcurrentHashMap]

### 10.ConcurrentHashMap线程安全具体实现 ###

**JDK1.7（上面有示意图）**

首先将数据分为一段一段的存储，然后给每一段数据配一把锁，当一个线程占用锁访问其中一个段数据时，其他段的数据也能被其他线程访问。

**ConcurrentHashMap 是由 Segment 数组结构和 HashEntry 数组结构组成**。

Segment 实现了 ReentrantLock,所以 Segment 是一种可重入锁，扮演锁的角色。HashEntry 用于存储键值对数据。

static class Segment<K,V> extends ReentrantLock implements Serializable {
    }

一个 ConcurrentHashMap 里包含一个 Segment 数组。Segment 的结构和HashMap类似，是一种数组和链表结构，一个 Segment 包含一个 HashEntry 数组，每个 HashEntry 是一个链表结构的元素，每个 Segment 守护着一个HashEntry数组里的元素，当对 HashEntry 数组的数据进行修改时，必须首先获得对应的 Segment的锁。

**JDK1.8 （上面有示意图）**

ConcurrentHashMap取消了Segment分段锁，采用**CAS和synchronized**来保证并发安全。数据结构跟HashMap1.8的结构类似，**数组+链表/红黑二叉树**。Java 8在链表长度超过一定阈值（8）时将链表（寻址时间复杂度为O(N)）转换为红黑树（寻址时间复杂度为O(log(N))）

synchronized只锁定当前链表或红黑二叉树的首节点，这样只要hash不冲突，就不会产生并发，效率又提升N倍。

**推荐阅读：**

[ConcurrentHashMap实现原理及源码分析][ConcurrentHashMap]

[jdk1.8中ConcurrentHashMap的实现原理][jdk1.8_ConcurrentHashMap]

### 11.集合框架底层数据结构总结 ###

**Collection**

**1. List**

*  **Arraylist：** Object数组（查询快,增删慢 线程不安全,效率高 ）
 *  **Vector：** Object数组（查询快,增删慢 线程安全,效率低 ）
 *  **LinkedList：** 双向链表(JDK1.6之前为循环链表，JDK1.7取消了循环)（查询慢,增删快 线程不安全,效率高 ）

**2. Set**

*  **HashSet（无序，唯一）:** 基于 HashMap 实现的，底层采用 HashMap 来保存元素
 *  **LinkedHashSet：** LinkedHashSet 继承与 HashSet，并且其内部是通过 LinkedHashMap 来实现的。有点类似于之前说的LinkedHashMap 其内部是基于 Hashmap 实现一样，不过还是有一点点区别的。链表和哈希表组成 。 由链表保证元素的排序 ， 由哈希表证元素的唯一性
 *  **TreeSet（有序，唯一）：** 红黑树(自平衡的排序二叉树。)

**3. Map**

*  **HashMap：** JDK1.8之前HashMap由数组+链表组成的，数组是HashMap的主体，链表则是主要为了解决哈希冲突而存在的（“拉链法”解决冲突）。JDK1.8以后在解决哈希冲突时有了较大的变化，当链表长度大于阈值（默认为8）时，将链表转化为红黑树，以减少搜索时间
 *  **LinkedHashMap：** LinkedHashMap 继承自 HashMap，所以它的底层仍然是基于拉链式散列结构即由数组和链表或红黑树组成。另外，LinkedHashMap 在上面结构的基础上，增加了一条双向链表，使得上面的结构可以保持键值对的插入顺序。同时通过对链表进行相应的操作，实现了访问顺序相关逻辑。详细可以查看：[《LinkedHashMap 源码详细分析（JDK1.8）》][LinkedHashMap _JDK1.8]
 *  **Hashtable：** 数组+链表组成的，数组是 HashMap 的主体，链表则是主要为了解决哈希冲突而存在的
 *  **TreeMap：** 红黑树（自平衡的排序二叉树）

**推荐阅读：**

[HashMap,HashTable,ConcurrentHashMap的原理与区别][HashMap_HashTable_ConcurrentHashMap]

[java-并发-ConcurrentHashMap高并发机制-jdk1.8][java-_-ConcurrentHashMap_-jdk1.8]

[java hashMap的死循环][java hashMap]

转载于:https://www.cnblogs.com/itzlg/p/11386548.html

[jdk1.8_-HashMap]: /images/20230601/107be336681343d098a722eded0ebc53.png
[jdk1.8_-HashMap 1]: /images/20230601/13285454657c4fd6bd6d0266a0db0d71.png
[Java 8_HashMap]: https://zhuanlan.zhihu.com/p/21673805
[HashSet _ HashMap]: https://user-gold-cdn.xitu.io/2018/3/2/161e717d734f3b23?w=896&h=363&f=jpeg&s=205536
[HashMap_ConcurrentHashMap]: https://blog.csdn.net/xuefeng0707/article/details/40834595
[HashMap_ ConcurrentHashMap_]: https://crossoverjie.top/2018/07/23/java-senior/ConcurrentHashMap/
[HashTable]: /images/20230601/666e502a01b74289967ab6ce0bb433f2.png
[JDK1.7_ConcurrentHashMap]: /images/20230601/6c6256d262cc41d68e9b34ee15f3172b.png
[JDK1.8_ConcurrentHashMap]: /images/20230601/ba28d0665c3a41cb939fddebb54304f0.png
[ConcurrentHashMap]: https://www.cnblogs.com/chengxiao/p/6842045.html
[jdk1.8_ConcurrentHashMap]: https://blog.csdn.net/fjse51/article/details/55260493
[LinkedHashMap _JDK1.8]: https://www.imooc.com/article/22931
[HashMap_HashTable_ConcurrentHashMap]: http://www.yuanrengu.com/index.php/2017-01-17.html
[java-_-ConcurrentHashMap_-jdk1.8]: https://blog.csdn.net/jianghuxiaojin/article/details/52006118#commentBox
[java hashMap]: https://coolshell.cn/articles/9606.html