Java集合类

集合的基础关系图

Iterator└Collection ├List │├LinkedList │├ArrayList │└Vector │　└Stack ├Set ├Queue └Map   ├Hashtable   ├HashMap   └WeakHashMap

Collection是集合接口:
- Set子接口:无序，不允许重复
- List子接口:有序，可以有重复元素
- Map子接口:无序，key不能重复，vlue可以重复

Iterator：只能正向遍历集合，适用于获取移除元素。
ListIerator：继承Iterator，可以双向列表的遍历，同样支持元素的修改。

上述类图中，实线边框的是实现类，比如ArrayList，LinkedList，HashMap等，折线边框的是抽象类，比如AbstractCollection，AbstractList，AbstractMap等，而点线边框的是接口，比如Collection，Iterator，List等。

　　发现一个特点，上述所有的集合类，都实现了Iterator接口，这是一个用于遍历集合中元素的接口，主要包含 hashNext(),next(),remove()三种方法。它的一个子接口LinkedIterator在它的基础上又添加了三种方法，分别是 add(),previous(),hasPrevious()。也就是说如果是先Iterator接口，那么在遍历集合中元素的时候，只能往后遍历，被 遍历后的元素不会在遍历到，通常无序集合实现的都是这个接口，比如HashSet，HashMap；而那些元素有序的集合，实现的一般都是 LinkedIterator接口，实现这个接口的集合可以双向遍历，既可以通过next()访问下一个元素，又可以通过previous()访问前一个 元素，比如ArrayList。

　　还有一个特点就是抽象类的使用。如果要自己实现一个集合类，去实现那些抽象的接口会非常麻烦，工作量很大。这个时候就可以使用抽象类，这些抽象 类中给我们提供了许多现成的实现，我们只需要根据自己的需求重写一些方法或者添加一些方法就可以实现自己需要的集合类，工作流昂大大降低

Collection接口

我单独拷贝一部分内容如下：

/** it provides implementations of more* specific subinterfaces like <tt>Set</tt> and <tt>List</tt>. */public interface Collection<E> extends Iterable<E> {//Omit other methods 省略其他方法 }

List

1 ArrayList

特点

以数组实现。节约空间，但数组有容量限制，默认初始化容量为10。超出限制时会增加50%容量，不是线程安全的。

用System.arraycopy（）复制到新的数组。因此最好能给出数组大小的预估值。
特点：ArrayList内部使用数组进行数据存储transient Object[] elementData，默认初始化容量为10，
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;

 private void grow(int minCapacity) {    // overflow-conscious code    int oldCapacity = elementData.length;    int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);    if (newCapacity - minCapacity < 0)        newCapacity = minCapacity;    if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)        newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);    // minCapacity is usually close to size, so this is a win:    elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);}

2 LinkedList

特点

内部使用Node内部类进行数据存储，以双向链表实现。无容量限制，但双向链表本身使用了更多空间。添加删除速度快，查找速度慢。不是线程安全的。

每插入一个元素都要构造一个额外的Node对象，也需要额外的链表指针操作。

private static class Node<E> {    E item;    Node<E> next;    Node<E> prev;    Node(Node<E> prev, E element, Node<E> next) {        this.item = element;        this.next = next;        this.prev = prev;    }}

按下标访问元素－get（i）、set（i,e） 要悲剧的部分遍历链表将指针移动到位 （如果i>数组大小的一半，会从末尾移起）。

插入、删除元素时修改前后节点的指针即可，不再需要复制移动。但还是要部分遍历链表的指针才能移动到下标所指的位置。

只有在链表两头的操作－add（）、addFirst（）、removeLast（）或用iterator（）上的remove（）倒能省掉指针的移动。

Apache Commons 有个TreeNodeList，里面是棵二叉树，可以快速移动指针到位。

3.Vector

特点

Vector内部使用数组进行数据存储，是线程安全的。由于每个方法都加锁，性能低，不建议使用

public synchronized void addElement(E obj) {    modCount++;    ensureCapacityHelper(elementCount + 1);    elementData[elementCount++] = obj;}

4 CopyOnWriteArrayList

特点

并发优化的ArrayList,线程安全的，写速度慢，修改数据会增加容量开销。

基于不可变对象策略，在修改时先复制出一个数组快照来修改，改好了，再让内部指针指向新数组。

因为对快照的修改对读操作来说不可见，所以读读之间不互斥，读写之间也不互斥，只有写写之间要加锁互斥。但复制快照的成本昂贵，典型的适合读多写少的场景。

虽然增加了addIfAbsent（e）方法，会遍历数组来检查元素是否已存在，性能可想像的不会太好。

5 List遗憾

无论哪种实现，按值返回下标contains（e）, indexOf（e）, remove（e） 都需遍历所有元素进行比较，性能可想像的不会太好。

没有按元素值排序的SortedList。

除了CopyOnWriteArrayList，再没有其他线程安全又并发优化的实现如ConcurrentLinkedList。凑合着用Set与Queue中的等价类时，会缺少一些List特有的方法如get（i）。如果更新频率较高，或数组较大时，还是得用Collections.synchronizedList（list），对所有操作用同一把锁来保证线程安全。

Map

Map属于key-value数据结构

HashMap

特点

HashMap。不是线程安全的。HashMap允许null为key。

以Entry[]数组实现的哈希桶数组，用Key的哈希值取模桶数组的大小可得到数组下标。

插入元素时，如果两条Key落在同一个桶（比如哈希值1和17取模16后都属于第一个哈希桶），我们称之为哈希冲突。

JDK的做法是链表法，Entry用一个next属性实现多个Entry以单向链表存放。查找哈希值为17的key时，先定位到哈希桶，然后链表遍历桶里所有元素，逐个比较其Hash值然后key值。

在JDK8里，新增默认为8的阈值，当一个桶里的Entry超过閥值，就不以单向链表而以红黑树来存放以加快Key的查找速度。

当然，最好还是桶里只有一个元素，不用去比较。所以默认当Entry数量达到桶数量的75%时，哈希冲突已比较严重，就会成倍扩容桶数组，并重新分配所有原来的Entry。扩容成本不低，所以也最好有个预估值。

取模用与操作（hash & （arrayLength-1））会比较快，所以数组的大小永远是2的N次方， 你随便给一个初始值比如17会转为32。默认第一次放入元素时的初始值是16。

iterator（）时顺着哈希桶数组来遍历，看起来是个乱序。

HashTable

HashMap与HashTable有什么区别？对比Hashtable VS HashMap

1. 两者都是用key-value方式获取数据。
2. HashMap允许null值作为key和value，而Hashtable不可以
3. HashMap不是同步的，而Hashtable是同步的。

Hashtable是原始集合类之一（也称作遗留类）。HashMap作为新集合框架的一部分在Java2的1.2版本中加入。它们之间有一下区别：

　　● HashMap和Hashtable大致是等同的，除了非同步和空值（HashMap允许null值作为key和value，而Hashtable不可以）。

　　● HashMap不是同步的，而Hashtable是同步的。

　　● 迭代HashMap采用快速失败机制，而Hashtable不是，所以这是设计的考虑点。
　　　● HashMap没法保证映射的顺序一直不变，但是作为HashMap的子类LinkedHashMap，如果想要预知的顺序迭代（默认按照插入顺序），你可以很轻易的置换为HashMap，如果使用Hashtable就没那么容易了。

　　6、在Hashtable上下文中同步是什么意思？

　　同步意味着在一个时间点只能有一个线程可以修改哈希表，任何线程在执行hashtable的更新操作前需要获取对象锁，其他线程等待锁的释放。

LinkedHashMap

特点
LindedHashMap和HashMap类似，只是里面多维护了一个添加的顺序，这样遍历集合时候能够按照顺序输出，不是线程安全的。

扩展HashMap，每个Entry增加双向链表，号称是最占内存的数据结构。

支持iterator（）时按Entry的插入顺序来排序（如果设置accessOrder属性为true，则所有读写访问都排序）。

插入时，Entry把自己加到Header Entry的前面去。如果所有读写访问都要排序，还要把前后Entry的before/after拼接起来以在链表中删除掉自己，所以此时读操作也是线程不安全的了。

TreeMap

以红黑树实现，不是线程安全的.

红黑树又叫自平衡二叉树：
对于任一节点而言，其到叶节点的每一条路径都包含相同数目的黑结点。
上面的规定，使得树的层数不会差的太远，使得所有操作的复杂度不超过 O（lgn），但也使得插入，修改时要复杂的左旋右旋来保持树的平衡。

支持iterator（）时按Key值排序，可按实现了Comparable接口的Key的升序排序，或由传入的Comparator控制。可想象的，在树上插入/删除元素的代价一定比HashMap的大。

支持SortedMap接口，如firstKey（），lastKey（）取得最大最小的key，或sub（fromKey, toKey）, tailMap（fromKey）剪取Map的某一段。

EnumMap

EnumMap的原理是，在构造函数里要传入枚举类，那它就构建一个与枚举的所有值等大的数组，按Enum. ordinal（）下标来访问数组。性能与内存占用俱佳。

美中不足的是，因为要实现Map接口，而 V get（Object key）中key是Object而不是泛型K，所以安全起见，EnumMap每次访问都要先对Key进行类型判断，在JMC里录得不低的采样命中频率。

ConcurrentHashMap

并发优化的HashMap。

特点
ConcurrentHashMap实现和HashMap类似，只是通过分段锁实现一个线程安全的Map。通过分段锁的设计既能减小锁的开销，又能保证数据的正确性

在JDK5里的经典设计，默认16把写锁（可以设置更多），有效分散了阻塞的概率。数据结构为Segment[]，每个Segment一把锁。Segment里面才是哈希桶数组。Key先算出它在哪个Segment里，再去算它在哪个哈希桶里。

也没有读锁，因为put/remove动作是个原子动作（比如put的整个过程是一个对数组元素/Entry 指针的赋值操作），读操作不会看到一个更新动作的中间状态。

但在JDK8里，Segment[]的设计被抛弃了，改为精心设计的，只在需要锁的时候加锁。

支持ConcurrentMap接口，如putIfAbsent（key，value）与相反的replace（key，value）与以及实现CAS的replace（key, oldValue, newValue）。

ConcurrentSkipListMap

JDK6新增的并发优化的SortedMap，以SkipList结构实现。Concurrent包选用它是因为它支持基于CAS的无锁算法，而红黑树则没有好的无锁算法。

原理上，可以想象为多个链表组成的N层楼，其中的元素从稀疏到密集，每个元素有往右与往下的指针。从第一层楼开始遍历，如果右端的值比期望的大，那就往下走一层，继续往前走。

典型的空间换时间。每次插入，都要决定在哪几层插入，同时，要决定要不要多盖一层楼。

它的size（）同样不能随便调，会遍历来统计。

Set

所有Set几乎都是内部用一个Map来实现, 因为Map里的KeySet就是一个Set，而value是假值，全部使用同一个Object即可。

Set的特征也继承了那些内部的Map实现的特征。

HashSet内部是HashMap,不是线程安全的

public boolean add(E e) {    return map.put(e, PRESENT)==null;}

LinkedHashSet内部是LinkedHashMap

TreeSet内部是TreeMap的SortedSet

ConcurrentSkipListSet

内部是ConcurrentSkipListMap的并发优化的SortedSet。

CopyOnWriteArraySet

内部是CopyOnWriteArrayList的并发优化的Set，利用其addIfAbsent（）方法实现元素去重，如前所述该方法的性能很一般。

好像少了个ConcurrentHashSet，本来也该有一个内部用ConcurrentHashMap的简单实现，但JDK偏偏没提供。Jetty就自己简单封了一个，Guava则直接用java.util.Collections.newSetFromMap（new ConcurrentHashMap（）） 实现。

Queue

Queue是在两端出入的List，所以也可以用数组或链表来实现。

普通队列

LinkedList

是的，以双向链表实现的LinkedList既是List，也是Queue。

ArrayDeque

以循环数组实现的双向Queue。大小是2的倍数，默认是16。

为了支持FIFO，即从数组尾压入元素（快），从数组头取出元素（超慢），就不能再使用普通ArrayList的实现了，改为使用循环数组。

有队头队尾两个下标：弹出元素时，队头下标递增；加入元素时，队尾下标递增。如果加入元素时已到数组空间的末尾，则将元素赋值到数组[0]，同时队尾下标指向0，再插入下一个元素则赋值到数组[1]，队尾下标指向1。如果队尾的下标追上队头，说明数组所有空间已用完，进行双倍的数组扩容。

PriorityQueue

用平衡二叉最小堆实现的优先级队列，不再是FIFO，而是按元素实现的Comparable接口或传入Comparator的比较结果来出队，数值越小，优先级越高，越先出队。但是注意其iterator（）的返回不会排序。

平衡最小二叉堆，用一个简单的数组即可表达，可以快速寻址，没有指针什么的。最小的在queue[0] ，比如queue[4]的两个孩子，会在queue[2*4+1] 和 queue[2*（4+1）]，即queue[9]和queue[10]。

入队时，插入queue[size]，然后二叉地往上比较调整堆。

出队时，弹出queue[0]，然后把queque[size]拿出来二叉地往下比较调整堆。

初始大小为11，空间不够时自动50%扩容。

线程安全的队列

ConcurrentLinkedQueue/Deque

无界的并发优化的Queue，基于链表，实现了依赖于CAS的无锁算法。

ConcurrentLinkedQueue的结构是单向链表和head/tail两个指针，因为入队时需要修改队尾元素的next指针，以及修改tail指向新入队的元素两个CAS动作无法原子，所以需要的特殊的算法。

线程安全的阻塞队列

BlockingQueue，一来如果队列已空不用重复的查看是否有新数据而会阻塞在那里，二来队列的长度受限，用以保证生产者与消费者的速度不会相差太远。当入队时队列已满，或出队时队列已空，不同函数的效果见下表：

立刻报异常 立刻返回布尔 阻塞等待 可设定等待时间 入队 add（e） offer（e） put（e） offer（e, timeout, unit） 出队 remove（） poll（） take（） poll（timeout, unit） 查看 element（） peek（） 无 无

ArrayBlockingQueue

定长的并发优化的BlockingQueue，也是基于循环数组实现。有一把公共的锁与notFull、notEmpty两个Condition管理队列满或空时的阻塞状态。

LinkedBlockingQueue/Deque

可选定长的并发优化的BlockingQueue，基于链表实现，所以可以把长度设为Integer.MAX_VALUE成为无界无等待的。

利用链表的特征，分离了takeLock与putLock两把锁，继续用notEmpty、notFull管理队列满或空时的阻塞状态。

PriorityBlockingQueue

无界的PriorityQueue，也是基于数组存储的二叉堆（见前）。一把公共的锁实现线程安全。因为无界，空间不够时会自动扩容，所以入列时不会锁，出列为空时才会锁。

DelayQueue

内部包含一个PriorityQueue，同样是无界的，同样是出列时才会锁。一把公共的锁实现线程安全。元素需实现Delayed接口，每次调用时需返回当前离触发时间还有多久，小于0表示该触发了。

pull（）时会用peek（）查看队头的元素，检查是否到达触发时间。ScheduledThreadPoolExecutor用了类似的结构。

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同步队列

SynchronousQueue同步队列本身无容量，放入元素时，比如等待元素被另一条线程的消费者取走再返回。JDK线程池里用它。

JDK7还有个LinkedTransferQueue，在普通线程安全的BlockingQueue的基础上，增加一个transfer（e） 函数，效果与SynchronousQueue一样。

参考文档

红黑树： https://github.com/julycoding/The-Art-Of-Programming-By-July/blob/master/ebook/zh/03.01.md
跳表：http://blog.sina.com.cn/s/blog_72995dcc01017w1t.html
二叉堆：http://blog.csdn.net/lcore/article/details/9100073
ConcurrentLinkedQueue：http://www.ibm.com/developerworks/cn/java/j-jtp04186/