Java集合实现细节

Map和Set的关系：Map集合的所有key具有Set集合的特征，只要把Map的所以key集合起来，就是一个Set，实现了从Map到Set的转换；当Set的每个元素都是key-value组（Map.Entry<K，V>），则可以扩展为Map。

HashMap和HashSet：

    对于HashSet，系统采用Hash算法决定集合元素的存储位置，可以保证快速存取集合云素；对于HashMap，系统将value当成key的附属，系统根据Hash算法决定key的存储位置，可以保证快速存储集合key，而value总是紧随key存储。

    集合虽然号称存储Java对象，但实际保留的只是对象的引用，这些引用变量指向实际的Java对象。

    当系统决定存储HashMap中的key-value对时，没有考虑Entry中的value，仅仅只根据key来计算决定Entry的存储位置，完全把value当作key的附属，系统决定key存储时，value也随之保存。

    当程序试图将key-value放入HashMap，会根据key的hashCode返回值决定，如果两个Entry的hashCode返回值相同，那么存储位置相同，如果Entry的key的equal比较，如果true，新添加的将覆盖原来的Entry，如果false，将新添加的与集合中原有的Entry形成Entry链，而且，新添加的位于Entry链的头部。

    创建HashMap()：

        HashMap()：创建初始容量16，负载因子为0.75的HashMap

        HashMap(int initalCapacity)：构建初始容量为initalCapacity，负载因子为0.75的HashMap

        HashMap(int initicalCapacity， float loadFactor)：以执行初始化容量和负载因子创建HashMap。

        创建HashMap的实际容量为大于给定容量的、最小的2的n次方值（例如，给中initalCopacity为10，实际容量为16），所以通常指定的initialCapacity并不等于HashMap的实际长度，除非指定的初始容量为2的n次方.这样可以减少系统的计算开销。

        简单归纳，HashMap底层将key-value当成整体对象Entry处理，采用Entry[]数组保存所以key-value对，根据Hash算法决定其存储位置与找到位置直接取出。负载因子是时间和空间的折衷，增大减少占用内存但增加查询时间/减少提供查询性能但增加占用内存空间。

    创建HashSet：

        底层采用HashMap保存所以元素，只是封装了一个HashMap保存所以的集合元素，HashSet中的集合元素实际由HashMap的key来保存，HashMap的value则存储了一个final的Object（PRESENT），一个静态的Object对象。如果向HashSet中添加一个已存在的元素（底层由HashMap的key保存，不会改变），新添加元素不会覆盖已有元素。

    当试图把某个类的对象当成HashMap的key，或者试图放入HashSet中保存，重写该类的equal方法和hashCode方法很重要，而且必须保持一致，当equal返回true时，hashCode必须返回相同值。

TreeMap和TreeSet：

    TreeSet与HashSet类似，底层采用NavigableMap保存TreeSet集合元素，但实际上NavigableMap是一个接口，所以底层是使用TreeMap包含Set的所有元素。TreeSet的大部分方法也是调用TreeMap的方法实现。

    对于TreeMap，采用了一种“红黑树”的排序二叉树保存Map中的每个Entry，每个Entry被当成“红黑树”接一个节点对待。意味着TreeMap的存取效率都比HashMap低，当TreeMap存取元素时，要循环找到合适位置，因此比较耗性能，但是优势在于Entry总是按key根据排序规则保持有序状态。

    红黑树是一种平衡二叉树，树中每个节点的值，大于或等于它的左子树的所以节点的值，并且小于或者等于它的右子树的所以节点的值，这确保红黑树运行时可以快速在树中查找和定位所需节点。

Map的values()方法：    

    Map集合是关联数组，包含key和value两组集合。key可以组成Set集合，value可以组成List集合。

    实际的values()方法返回Map的所有value集合，但它们并不是List集合。分别是HashMap$Values和TreeMap$Values对象。两个Map类对象返回values()方法的实现完全相同（return (vs!=null?vs:values=new Values())），区别在于内部实现不同。

    Values集合类集成了AbstractCollection抽象类，但并不是一个Collection集合，因为没有实现add(Object o)方法，也就是说这个Values集合对象没有真正盛装任何Java对象。values()方法表面上返回一个Values对象，但这个集合并不能添加元素，主要功能用于遍历Map里的所以value，而遍历主要依赖HashIterator的nextEntry()方法实现。

    HashMap和TreeMap中Values类区别不太大，不过TreeMap通过“红黑树”实现，还提供了两个简单的工具方法（getFristEntry返回最小和successor获取下一个节点）。

    归纳总结：HashMap和TreeMap的values()方法返回其value返回的Collection集合，按正常理解，这个Collection应该是List集合，但是values()方法实现更加巧妙，返回一个不存储元素的Collection集合，遍历Collection元素时，实际遍历Map的value，并未把value组合成一个包含元素的对象，可以降低系统的内存开销。

List集合：

    List集合主要实现类：ArrayList、Vector和LinkList，还有Vector的子类Stack（本质上Stack还是Vector类，只是多了5个方法，扩展成为Stack类，Java已经不推荐使用，而推荐Deque代替）。

    Deque接口代表双端列表这种数据结构，既有队列的先进先出（FIFO），也有栈的性质（FILO），常用的实现类是ArrayDeque。

    Vector和ArrayList本质没有太大不同，都是基于Java数组实现的：

        序列化机制：ArrayList提供了writeObject和readObject实现定制序列化，Vector只实现了writeObject，未完全实现定制序列化；

        线程机制：Vector其实就是ArrayList的线程安全版本，但是Java推荐使用Collections工具类，通过工具类synchronizedList方法将ArrayList包装成线程安全。

        底层扩展方面：ArrayList在容量不足情况下总是扩充为原理1.5倍；Vector多了一个选择，可以传入capacityIncrement，如果大于0，扩充容量为原来容量加上capacityIncrement，否则扩充为原来2倍。

ArrayList和LinkList：

    ArrayList是顺序存储的线性表，底层采用数字保存每个集合元素，LinkList则是一种链式存储的线性表。

    ArrayList是数组实现，所以增减元素，需要对数组进行“整体搬家”，容量不足还需创建容量为1.5倍的数组，再由垃圾回收原来的数组，因此开销比较大；但在查找方面直接调用数组获取索引处元素，性能非常好；对应LinkList，开销主要集中于entry(int index)方法上，该方法需要一个个的搜索知道index处的元素，再对之进行处理，但在增减方面，只需要更改插入元素，性能比ArrayList好。

    总体来说，ArrayList调用add方法在尾端添加元素，无需搬家，查找性能非常好，总体上性能优于LinkList。

Iterator：

    对应Iteartor迭代器，只是一个接口，java各种集合都提供一个iterator方法用于迭代该集合元素，不需关心返回的是哪种实现类，这是典型的“迭代器模式”。

    使用Itarator进行迭代，通常不应该删除集合元素，否则会引发ConcurrentModificationExceotion异常。