Java集合 - 图1

List、Set、Map的区别

  • List (对付顺序的好帮⼿)： 存储的元素是有序的、可重复的。
  • Set (注重独⼀⽆⼆的性质): 存储的元素是⽆序的、不可重复的。
  • Map (⽤ Key 来搜索的专家): 使⽤键值对（kye-value）存储，类似于数学上的函数y=f(x)，“x”代表 key，”y”代表 value，Key 是⽆序的、不可重复的，value 是⽆序的、可重复的，每个键最多映射到⼀个值。


ArrayList、LinkedList区别

  • 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；
  • 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，下⾯有介绍到！）
  • 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。 ②LinkedList 采⽤链表存储，所以对于 add(E e) ⽅法的插⼊，删除元素时间复杂度不受元素位置的影响，近似 O(1)，如果是要在指定位置 i 插⼊和删除元素的话（ (add(int index, Eelement) ） 时间复杂度近似为 o(n)) 因为需要先移动到指定位置再插⼊。
  • 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)。
  • 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）。

ArrayList、Vector区别

  • ArrayList 是 List 的主要实现类，底层使⽤ Object[ ] 存储，适⽤于频繁的查找⼯作，线程不安全 ；
  • Vector 是 List 的古⽼实现类，底层使⽤ Object[ ] 存储，线程安全的。


HashMap、HashTable区别

  • 线程是否安全： HashMap 是⾮线程安全的， HashTable 是线程安全的,因为 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！）；
  • 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；
  • 对 Null key 和 Null value 的⽀持： HashMap 可以存储 null 的 key 和 value，但 null 作为键只能有⼀个，null 作为值可以有多个；HashTable 不允许有 null 键和 null 值，否则会抛出NullPointerException 。
  • 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,后⾯会介绍到为什么是 2 的幂次⽅。
  • 底层数据结构： JDK1.8 以后的 HashMap 在解决哈希冲突时有了᫾⼤的变化，当链表⻓度⼤于阈值（默认为 8）（将链表转换成红⿊树前会判断，如果当前数组的⻓度⼩于 64，那么会选择先进⾏数组扩容，⽽不是转换为红⿊树）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。

HashMap中带有初始容量的构造函数：

  1. public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {
  2.     if (initialCapacity < 0)
  3.         throw new IllegalArgumentException("Illegal initial capacity: " +
  4.                                            initialCapacity);
  5.     if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)
  6.         initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
  7.     if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor))
  8.         throw new IllegalArgumentException("Illegal load factor: " +
  9.                                            loadFactor);
  10.     this.loadFactor = loadFactor;
  11.     this.threshold = tableSizeFor(initialCapacity);
  12. }

关键是tableSizeFor方法，保证了容量大小是2的幂次方

  1. static final int tableSizeFor(int cap) {
  2.     int n = cap - 1;
  3.     n |= n >>> 1;
  4.     n |= n >>> 2;
  5.     n |= n >>> 4;
  6.     n |= n >>> 8;
  7.     n |= n >>> 16;
  8.     return (n < 0) ? 1 : (n >= MAXIMUM_CAPACITY) ? MAXIMUM_CAPACITY : n + 1;
  9. }

HashMap、HashSet区别

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() 、 writeObject() 、 readObject() 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。
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HashMap底层实现

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 指的是数组的⻓度），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。
相⽐于之前的版本， JDK1.8 之后在解决哈希冲突时有了᫾⼤的变化，当链表⻓度⼤于阈值（默认为 8）（将链表转换成红⿊树前会判断，如果当前数组的⻓度⼩于 64，那么会选择先进⾏数组扩容，⽽不是转换为红⿊树）时，将链表转化为红⿊树，以减少搜索时间。

HashMap的长度

为了能让 HashMap 存取⾼效，尽量᫾少碰撞，也就是要尽量把数据分配均匀。我们上⾯也讲到了过了，Hash 值的范围值-2147483648到2147483647，前后加起来⼤概40亿的映射空间，只要哈希函数映射得⽐᫾均匀松散，⼀般应⽤是很难出现碰撞的。但问题是⼀个40亿⻓度的数组，内存是放不下的。所以这个散列值是不能直接拿来⽤的。⽤之前还要先做对数组的⻓度取模运算，得到的余数才能⽤来要存放的位置也就是对应的数组下标。这个数组下标的计算⽅法是“ (n - 1) &hash ”。（n代表数组⻓度）。这也就解释了 HashMap 的⻓度为什么是2的幂次⽅。
我们⾸先可能会想到采⽤%取余的操作来实现。但是，重点来了：“取余(%)操作中如果除数是2的幂次则等价于与其除数减⼀的与(&)操作（也就是说 hash%length==hash&(length-1)的前提是 length 是2的 n 次⽅；）。” 并且 采⽤⼆进制位操作 &，相对于%能够提⾼运算效率，这就解释了 HashMap 的⻓度为什么是2的幂次⽅。
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ConcurrentHashMap、HashTable区别

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
  • JDK1.8 的 ConcurrentHashMap 不在是 Segment 数组 + HashEntry 数组 + 链表，⽽是 Node 数 组 + 链表 / 红⿊树。不过，Node 只能⽤于链表的情况，红⿊树的情况需要使⽤ TreeNode 。当冲突链表达到⼀定⻓度时，链表会转换成红⿊树。


ConcurrentHashMap底层实现

  • JDK1.7

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，扮演锁的⻆⾊。 HashEntry ⽤于存储键值对数据。
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

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 在链表⻓度超过⼀定阈值（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。

HashSet、LinkedHashSet、TreeSet区别

  • HashSet 是 Set 接⼝的主要实现类 ， HashSet 的底层是 HashMap ，线程不安全的，可以存储 null 值；
  • LinkedHashSet 是 HashSet 的⼦类，能够按照添加的顺序遍历；
  • TreeSet 底层使⽤红⿊树，能够按照添加元素的顺序进⾏遍历，排序的⽅式有⾃然排序和定制排序。


集合底层数据结构

List

  • Arraylist ： Object[] 数组
  • Vector ： Object[] 数组

  • LinkedList ： 双向链表(JDK1.6 之前为循环链表，JDK1.7 取消了循环)

    Set

  • HashSet （⽆序，唯⼀）: 基于 HashMap 实现的，底层采⽤ HashMap 来保存元素

  • LinkedHashSet ： LinkedHashSet 是 HashSet 的⼦类，并且其内部是通过 LinkedHashMap来实现的。有点类似于我们之前说的 LinkedHashMap 其内部是基于 HashMap 实现⼀样，不过还是有⼀点点区别的

  • TreeSet （有序，唯⼀）： 红⿊树(⾃平衡的排序⼆叉树)

    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᫾⼤的变化，当链表⻓度⼤于阈值（默认为 8）（将链表转换成红⿊树前会判断，如果当前数组的⻓度⼩于 64，那么会选择先进⾏数组扩容，⽽不是转换为红⿊树）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。
  • 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）


集合的选用

主要根据集合的特点来选⽤，⽐如需要根据键值获取到元素值时就选⽤ Map 接⼝下的集合，需要排序时选择 TreeMap ,不需要排序时就选择 HashMap ,需要保证线程安全就选⽤ConcurrentHashMap 。
当我们只需要存放元素值时，就选择实现 Collection 接⼝的集合，需要保证元素唯⼀时选择实现Set 接⼝的集合⽐如 TreeSet 或 HashSet ，不需要就选择实现 List 接⼝的⽐如 ArrayList 或LinkedList ，然后再根据实现这些接⼝的集合的特点来选⽤。