0.前言

java集合实现两大接口，coliection与map,其中list与set接口实现coliection接口,而hashmap等具体类实现map接口，除此之外，coliections为集合的工具类，提供了更多的方法
参考博文:集合复习

整体结构：

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collection:

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map:

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1.Collection

1.List

Java的List是非常常用的数据类型。List是有序的Conllection。List主要有三个实现类：ArrayList，Vector和LinkedList。

1. ArrayList（数组）

  1. 内部是通过数组实现的，使用无参构造生成时，默认容量为0，第一次添加扩容为10，随后再次扩容机制为新List长度=原List长度*1.5(原list长度1.5倍)

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  1. 允许对元素进行快速随机访问。数组的缺点是每个元素之间不能有间隔，当数组的大小不满足时需要增加存储能力，就是要将已经有的数据复制到新的存储空间中。
  2. 当从 ArrayList 的中间位置插入或删除元素时，需要对数组进行复制，移动，代价比较高。因此，它更适合随机查找和遍历，不适合插入和删除。
  3. 内部使用的是transient Object[] elementData; 来存储数组,transient 瞬间修饰，表示属性不会被序列化

    1.扩容机制

    当添加新元素时，会先判断当前数组中的元素个数是否==数组大小，如果满足条件，则对数组扩容
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    调用数组扩容函数，随后将原数组数据复制到新数组中
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    对数组扩容时将原数组长度右移1位（原值/(2*n)），并加上原数组长度，使得新数组长度位原数组长度的1.5倍，如果调用的是无参构造生成的list,数组为初始数组，第一次就就将其扩大到10，否则返回新数组的长度
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2. Vector（数组实现，线程安全）

  1. 和ArrayList 一样也是通过数组实现的，默认容量为10,扩容机制为新Vector长度=原Vector长度*2，源码与ArrayList类似
  2. 支持线程的同步，即某一刻只有一个线程能够写 Vector，避免多线程同时写而引起的不一致性，但实现同步需要很高的花费

  3. 访问 Vector 的速度比 ArrayLiat 速度慢。

    3. LinkedList（链表）

  4. LinkedList 使用链表结构存储数据的，很适合数据的动态插入和删除，随机访问和遍历速度比较慢。

  5. LinkedList 还提供了 List 接口中没有定义的方法，专门用于操作表头和表尾的元素，可以当作堆栈、队列和双向队列使用。

    2.Set

  6. 存储的元素无序且不可重复,所以最多只允许存在一个null

  7. 对象的相等性本质是对象的 hashCode 值（Java是依据对象的内存地址计算出的此序号）判断的，如果想要让两个不同的对象是为相等的，就必须覆盖 Object 的 hashCode（） 方法和 equals（） 方法。

    1. HashSet（Hash表）

  8. 哈希表存放的是哈希值，底层是HashMap(使用key值存数据，value为空)

  9. HashSet 存储元素的顺序并不是按照存入的顺序（和 List 显然不同）而是按照哈希值来对所有数据进行存取
  10. 元素的哈希值是通过元素的 hashCode（）方法来获取的，HashSet 首先判断两个元素的哈希值，如果哈希值相同，接着会比较 equals（） 方法，如果 equals（） 结果为true，HashSet 就会将这两个元素视为同一个元素。如果 equals（） 为false就不是同一个元素。
  11. HashSet 会通过 hashCode 值来确定元素的位置。当元素的 hashCode 相同，但 equals 不同，则会在这一个hashCode 的位置上存放多个元素。（就是在同样的哈希值下顺延，也就是哈希值一样的存一列。）
  12. 创建Set实际上就是创建HashMap

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添加与扩容机制

因为HashSet底层是HashMap,所以其使用的方法与逻辑与Map是一致的
整体流程：
绘图1.jpg
Set添加方法时，调用的时Map的添加方法，因为map是键值对形式，所以还需要传入一个空的对象占位
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(hashMap部分源码)
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由源码可知，根据hashcode()计算出的hash并不是最终的hash
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代码太长，所以直接复制
:::danger ps: equals()不一定是判断内容，每个类equals()标准都可能不一样
ps: 此处size指的是map中存放元素的个数，临界值则是节点数组的临界值，即不是占用了75%的数组索引才扩容，而是只要总数据超过就扩容(添加完第13个才扩容)；size并不是占用新的数组索引才增加，而是每存放一个元素就增加 :::

  1. final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
  2.                boolean evict) {
  3.     Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i; //创建辅助变量
  4.      //1.如果节点数组为空，就初始化数组，大小为16
  5.     if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0) //table为节点数组
  6.         n = (tab = resize()).length;
  7.     //2.根据hash值计算在数组中的索引，且如果计算出的索引为空（意味着节点没有值），就直接存入
  8.     if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
  9.         tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
  10.     else {
  11.         Node<K,V> e; K k;
  12.         //3.如果数组中索引位置已有节点，就执行以下代码
  13.         //3.1先判断该处索引位置的第一个节点的hash值是否与要插入的hash值相等
  14.         //然后再满足以下条件之一：
  15.         //1.两个节点的地址是否相等(==)
  16.         //2.两个节点的equals对比结果是否相等(如不重写，则仍然是地址)
  17.         //如果满足，则证明是相同的，就不插入
  18.         if (p.hash == hash &&
  19.             ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
  20.             e = p;
  21.         //3.2判断节点是否为一颗树(即map是否已经转变为红黑树)，是就调用树的添加节点方法
  22.         else if (p instanceof TreeNode)
  23.             e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
  24.         //3.3如果不是相同节点且不是一颗树，则循环找到该数组索引位置的最后一个节点，向其next
  25.         //添加一个新节点
  26.         else {
  27.             for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
  28.                 //3.3.1当遍历到最后节点时
  29.                 if ((e = p.next) == null) {
  30.                     //将最后节点的next指向新节点
  31.                     p.next = newNode(hash, key, value, null);
  32.                     //判断该数组中索引位置链表节点个数是否大于等于8(从0开始计算，所以要-1)，
  33.                     //还必须满足节点数组>=64,就将链表转换为红黑树,否则对数组扩容
  34.                     //TREEIFY_THRESHOLD：8
  35.                     if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
  36.                         treeifyBin(tab, hash);
  37.                     break;
  38.                 }
  39.                 //3.3.2在循环中依次判断每个节点是否和要插入的节点相同，相同就结束循环
  40.                 //(意味着已经存在要插入的值)，退出
  41.                 if (e.hash == hash &&
  42.                     ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
  43.                     break;
  44.                 //将p指向下个节点(因为在开始使e=p.next了),即e=p.next,p=e,两条语句交替执行
  45.                 //就会遍历节点
  46.                 p = e;
  47.             }
  48.         }
  49.         //4.当相同时，不会执行添加，返回不为空,在map中这里是替换相同key的值
  50.         //即当key相同时，e存放的是链表中相同key的旧值，e.value会被新值替代
  51.         if (e != null) { // existing mapping for key
  52.             V oldValue = e.value;
  53.             if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
  54.                 //新值替代旧值
  55.                 e.value = value;
  56.             afterNodeAccess(e);
  57.             return oldValue;
  58.         }
  59.     }
  60.     ++modCount;
  61.     //5.判断size是否超过了临界值，true就扩容(添加完第13个才扩容)
  62.     //注意:此处size指的是map中存放元素的个数，临界值则是节点数组的临界值
  63.     //即不是占用了75%的数组索引才扩容，而是只要总数据超过就扩容
  64.     if (++size > threshold)
  65.         resize();
  66.     //这是留给子类去实现的空方法 
  67.     afterNodeInsertion(evict);
  68.     return null;
  69. }

扩容的方法

  1. final Node<K,V>[] resize() {
  2.     Node<K,V>[] oldTab = table;
  3.     int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;
  4.     int oldThr = threshold;
  5.     int newCap, newThr = 0;
  6.     //1.当数组长度>0时，扩容
  7.     if (oldCap > 0) {
  8.         //如果过超出了允许的最大值，不扩容
  9.         if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
  10.             threshold = Integer.MAX_VALUE;
  11.             return oldTab;
  12.         }
  13.         //扩容为原来的2倍
  14.         else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&
  15.                  oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
  16.             newThr = oldThr << 1; // double threshold
  17.     }
  18.     else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold
  19.         newCap = oldThr;
  20.     //2.长度=0时，即第一次扩容时
  21.     else {               // zero initial threshold signifies using defaults
  22.         //第一次调用时，将table初始化为16
  23.         newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;
  24.         //计算临界值，当数据达到临界值时就提前扩容，而不是满了才扩容
  25.         //0.75*16，0.75是负载因子
  26.         newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);
  27.     }
  28.     if (newThr == 0) {
  29.         float ft = (float)newCap * loadFactor;
  30.         newThr = (newCap < MAXIMUM_CAPACITY && ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY ?
  31.                   (int)ft : Integer.MAX_VALUE);
  32.     }
  33.     threshold = newThr;
  34.     @SuppressWarnings({"rawtypes","unchecked"})
  35.     Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap];
  36.     table = newTab;
  37.     if (oldTab != null) {
  38.         for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {
  39.             Node<K,V> e;
  40.             if ((e = oldTab[j]) != null) {
  41.                 oldTab[j] = null;
  42.                 if (e.next == null)
  43.                     newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;
  44.                 else if (e instanceof TreeNode)
  45.                     ((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);
  46.                 else { // preserve order
  47.                     Node<K,V> loHead = null, loTail = null;
  48.                     Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null;
  49.                     Node<K,V> next;
  50.                     do {
  51.                         next = e.next;
  52.                         if ((e.hash & oldCap) == 0) {
  53.                             if (loTail == null)
  54.                                 loHead = e;
  55.                             else
  56.                                 loTail.next = e;
  57.                             loTail = e;
  58.                         }
  59.                         else {
  60.                             if (hiTail == null)
  61.                                 hiHead = e;
  62.                             else
  63.                                 hiTail.next = e;
  64.                             hiTail = e;
  65.                         }
  66.                     } while ((e = next) != null);
  67.                     if (loTail != null) {
  68.                         loTail.next = null;
  69.                         newTab[j] = loHead;
  70.                     }
  71.                     if (hiTail != null) {
  72.                         hiTail.next = null;
  73.                         newTab[j + oldCap] = hiHead;
  74.                     }
  75.                 }
  76.             }
  77.         }
  78.     }
  79.     return newTab;
  80. }

转换为红黑树的方法

  1. final void treeifyBin(Node<K,V>[] tab, int hash) {
  2.     int n, index; Node<K,V> e;
  3.     //如果数组小于64,不会转树，而是扩容
  4.     if (tab == null || (n = tab.length) < MIN_TREEIFY_CAPACITY)
  5.         resize();
  6.     else if ((e = tab[index = (n - 1) & hash]) != null) {
  7.         TreeNode<K,V> hd = null, tl = null;
  8.         do {
  9.             TreeNode<K,V> p = replacementTreeNode(e, null);
  10.             if (tl == null)
  11.                 hd = p;
  12.             else {
  13.                 p.prev = tl;
  14.                 tl.next = p;
  15.             }
  16.             tl = p;
  17.         } while ((e = e.next) != null);
  18.         if ((tab[index] = hd) != null)
  19.             hd.treeify(tab);
  20.     }
  21. }

2. TreeSet（二叉树）

  1. TreeSet（）是使用二叉树的原理对新的add（）的对象按照指定的顺序排序（升序、降序），每增加一个对象都会进行排序，将对象插入二叉树指定的位置。
  2. Integer 和String 对象都可以进行默认的 TreeSet 排序，而自定义类的对象是不可以的，自定义的类必须实现Comparable 接口，并覆写相应的compareTo（）函数(或则向set构造器传参匿名内部类/lambda)，才可以正常使用排序。
  3. 在覆写compare（）函数时，要返回相应的值才能使 TreeSet 按照一定的规则来排序。
  4. 比较此对象与指定对象的顺序。如果该对象小于、等于或大于指定对象，则分别返回负整数，零或正整数。

  5. 底层是treeMap

    3. LinkHashSet（HashSet+LinkedHashMap）

  6. 对于 LinkedHashSet 而言，它继承与 HashSet、又基于 LinkedHashMap 来实现的。

  7. LinkedHashSet 底层使用数组+双向链表, LinkedHashMap 来保存所有元素，它继承于HashSet，其所有的方法操作上又与 HashSet 相同，因此 LinkedHashSet 的实现上非常简单，只提供了四个构造方法，并通过传递一个标识参数，调用父类的构造器，底层构造一个 LinkedHashMap 来实现，在相关操作上与父类 HashSet 的操作相同，直接调用父类 HashSet 的方法即可。
  8. 对链表的链接操作在LinkedHashMap的newNode()中,Entry是继承了HashMap.Node的内部类

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2.Map

1. HashMap（数组+链表+红黑树）

  1. HashMap 根据键的 hashCode 值存储数据，大多数情况下可以直接定位到它的值，因而具有很快的访问速度，但遍历顺序却是不确定的。
  2. 初始化大小为0，第一次扩容为16，加载因子为0.75，当map存放的元素数量超过当前数组长度的75%时，或者链表长度>=8而数组长度<64时,会触发扩容，扩容机制为原长度的2倍，只有当链表长度>=8且数组长度>=64时，才将链表转换为红黑树(源码参照set部分的笔记)
  3. HashMap 最多只允许一条记录的键为 null，允许多条记录的值为 null。
  4. HashMap 非线程安全，即任一时刻可以有多个线程同时写 HashMap，可能会导致数据的不一致。如果需要满足线程安全，可以用 Collections（） 的 synchronizedMap（） 方法使HashMap 具有线程安全的能力，或者使用 ConcurrentHashMap（）。
  5. 线程不安全的原因：
    1. 多个线程并发执行put()，当重新调整HashMap大小的时候，就会存在条件竞争，因为如果两个线程都发现HashMap需要重新调整大小了，它们会同时试着调整大小。在调整大小的过程中，存储在链表中的元素的次序会反过来，因为移动到新的bucket位置的时候，HashMap并不会将元素放在链表的尾部，而是放在头部，这是为了避免尾部遍历（不然每插入一次就要遍历一次）。如果条件竞争发生了，那么就会产生死循环了（称为循环链表）。 :::danger 此处元素数量指的是map中存放元素的个数，75%则是节点数组的临界值，即不是占用了75%的数组索引才扩容，而是只要总数据量超过就扩容；元素数量并不是占用新的数组索引才增加，而是每存放一个元素就增加 ::: 例：
      在节点数组长度16的map中，扩容临界值为12，如果索引为1的位置存放了12个节点的链表，当在其他索引存放新的数据时，就会触发扩容机制(13>12)。而此时索引数组中只占用了2个索引位置，所以扩容机制判断的是map中总数据量>节点数组长度*75%，而不是节点数组内索引的占用个数。

map底层数据实际是存放在table数组的Node中的，但是因为map没有迭代器，所以为了方便遍历集合，会创建一个EntrySet>,继承了set接口，其中存放的是一个个Node(因为Node实现了Entry，多态，可以放入),（类似于目录）Node提供getkey与getvalue方法，来实现遍历；同时还有keySet与values,分别继承set与collection接口，可以分别遍历key与value
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Java 7 实现：大方向上，HashMap 里面是一个数组，然后数组中每个元素是一个单向链表。

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JAVA 8 实现：Java8 对 HashMap 进行了一些修改，最大的不同就是利用了红黑树，所以其由 数组+链表+红黑树 组成。

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在 Java 7 HashMap 中，查找的时候，根据 hash 值能够快速定位到数组的具体下标，但是之后的话，需要顺着链表一个个比较下去才能找到我们需要的，时间复杂度取决于链表的长度，为 O(n)。为了降低这部分的开销，在 Java 8 中，当链表中的元素超过了 8 个以后，会将链表转换为红黑树，在这些位置进行查找的时候可以降低时间复杂度为 O(logN)。

2. ConcurrentHashMap

1.Segment 段

ConcurrentHashMap 和 HashMap 思路是差不多的，但是因为它支持并发操作，所以要复杂一
些。整个 ConcurrentHashMap 由一个个 Segment 组成，Segment 代表”部分“或”一段“的
意思，所以很多地方都会将其描述为分段锁。注意，行文中，我很多地方用了 “槽” 来代表一个
segment。

2.线程安全（Segment 继承 ReentrantLock 加锁）

简单理解就是，ConcurrentHashMap 是一个 Segment 数组，Segment 通过继承ReentrantLock 来进行加锁，所以每次需要加锁的操作锁住的是一个 segment，这样只要保证每个 Segment 是线程安全的，也就实现了全局的线程安全。
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3.并行度（默认 16）

concurrencyLevel：并行级别、并发数、Segment 数，怎么翻译不重要，理解它。默认是 16，也就是说ConcurrentHashMap 有 16 个 Segments，所以理论上，这个时候，最多可以同时支持 16 个线程并发写，只要它们的操作分别分布在不同的 Segment 上。这个值可以在初始化的时候设置为其他值，但是一旦初始化以后，它是不可以扩容的。再具体到每个 Segment 内部，其实每个 Segment 很像之前介绍的 HashMap，不过它要保证线程安全，所以处理起来要麻烦些。

4.Java8 实现 （引入了红黑树）

Java8 对 ConcurrentHashMap 进行了比较大的改动,Java8 也引入了红黑树。
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3. HashTable（线程安全）

  1. Hashtable 是遗留类，很多映射的常用功能与 HashMap 类似，不同的是它承自 Dictionary 类，并且是线程安全的，任一时间只有一个线程能写 Hashtable，并发性不如 ConcurrentHashMap，因为 ConcurrentHashMap 引入了分段锁。
  2. Hashtable 不建议在新代码中使用，不需要线程安全的场合可以用 HashMap 替换，需要线程安全的场合可以用 ConcurrentHashMap 替换。
  3. 不允许键和值存在Null

  4. 初始化大小为11,扩容机制为:原长度*2+1

    4. TreeMap（可排序）

  5. TreeMap 实现 SortedMap 接口，能够把它保存的记录根据键排序，默认是按键值的升序排序，也可以指定排序的比较器，当用 Iterator 遍历 TreeMap 时，得到的记录是排过序的。

  6. 如果使用排序的映射，建议使用 TreeMap。

  7. 在使用 TreeMap 时，key 必须实现 Comparable 接口或者在构造 TreeMap 传入自定义的Comparator，否则会在运行时抛出 java.lang.ClassCastException 类型的异常。

    5. LinkHashMap（记录插入顺序）

    LinkedHashMap继承于HashMap，它在HashMap的基础上，通过维护一条双向链表，解决了HashMap不能随时保持遍历顺序和插入顺序一致的问题。在实现上，LinkedHashMap很多方法直接继承自HashMap，仅为维护双向链表重写了部分方法。

    6. Properties

  8. 继承自HashTable类并实现了map接口,特点和HashTable类似

  9. 可以用于从xxx.properties配置文件中读取属性放入properties对象,进行读取和修改

    3.Collections

    collection的工具类，提供了更多的操作方法

  10. reverse(list)：反转list集合

  11. shuffle(list)：对list随机排序
  12. sort()：自然排序，也有重载的指定比较器排序
  13. swap(List,int,int)：将集合中指定位置元素交换
  14. frequency(collection i)：返回集合指定元素的出现次数
  15. synchronizedxxxxx()：将指定的集合类型包装为线程安全