Java中的集合

集合由两大接口派生而来，分别是Collection和Map；
Collection用来存放单一元素，三个主要的子接口：List，Set，Queue；
Map用来存放键值对；

Collection接口

有三个子接口，List，Set，Queue；

List:

ArrayList-对象数组, Vector-对象数组, LinkedList-双向链表；

ArrayList

ArrayList是List的主要实现类，底层采用 Object [] 数组存储，适用于频繁的查找工作，不同步，线程不安全；
插入和删除元素的时间复杂度受元素位置的影响，如果在add()插入元素，默认插入在ArrayList尾部，O(1) ; 如果在指定位置 i 插入/删除元素，O( n - i ), 因为集合中第 i 个元素以及后面的元素都要移动；
支持使用 get() 快速随机访问，并且实现了RandomAccess接口；（并不是说 ArrayList 实现 RandomAccess 接口才具有快速随机访问功能的，这个接口只是一个标志）
有一定的空间浪费，ArrayList 的 List 列表结尾会预留有一定的容量空间；

ArrayList的扩容机制

默认初始容量大小 DEFAULT_CAPACITY = 10；
以无参构造方法创建ArrayList的时候，初始化赋值的是一个空数组，在真正对数组进行添加元素操作的时候，才真正分配容量;

1. 向数组中add第一个元素时，进入add方法，add方法调用了ensureCapacityInternal，传入了minCapacity参数，又调用了ensureExplicitCapacity，在这里比较minCapacity和elementData.length，判断是否要扩容，如果需要就进入grow()方法；添加第一个元素之前，令minCapacity = 10, 进入grow()方法，数组容量扩为10,；
2. add第二个元素到第十个元素时都不会扩容，minCapacity = 2，… 10, 在添加第11个元素时要进入grow() 方法进行扩容, 此时 min Capacity = 11 > elementData.length;
3. 在grow() 方法中，有int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1)，因此每次扩容都会扩到原来的1.5倍左右；

Vector

Vector是List的古老实现类，底层也采用 Object [] 数组存储，线程安全；

LinkedList

底层采用双向链表实现，不同步，线程不安全；
如果在头尾插入/删除元素，O(1)；如果在指定位置 i 插入/删除元素，需要先移动到指定位置再操作，是O(n) ;
不支持快速随机访问；
空间花费体现在LinkedList的每一个元素都要消耗比ArrayList更多的空间，因为不仅要存放数据，还要存前后指针；

Set

三个实现类都不线程安全

HashSet

底层数据结构是哈希表，基于HashMap实现的；
无序性：不等于随机性，是指存储的数据在底层数组中并非按照数据索引的顺序添加，而是根据数据的哈希值决定的；；
不可重复性：Set里已经有的数据不能加入；
如果新加入的数据的哈希值equals(Set中已经存在的数据)，且他们的hashcode()也相等，证明冲突了，不能加入；Set要重写equals()和hashcode()方法；
用于不需要保证元素插入和取出的顺序的场景；

LinkedHashSet

底层数据结构是链表和哈希表，元素的插入和取出顺序FIFO；
是HashSet的子类，内部通过LinkedHashMap实现；
用于保证元素的插入和取出顺序满足FIFO的场景；

TreeSet

底层数据结构是红黑树（自平衡的排序二叉树）；
元素是有序的；
用于支持对元素自定义排序规则的场景；

Queue

Queue和Deque

Queue是单端队列，扩展了Collection接口；
Deque是双端队列，扩展了Queue的接口，还可以用于模拟栈；

PriorityQueue

（经常出现在面试手撕中，堆排序，前K大数，带权图遍历）
Object[]，用数组来实现二叉堆；
元素的出对顺序是与优先级相关的，优先级最高的先出；
利用了二叉堆的数据结构，底层用变长的数据来存储数据，插入/删除（顶）O(logn)，不支持null和non-comparator对象，默认是小顶堆，可以接受Comparator作为构造参数，自定义元素优先级的先后。

ArrayQueue

Object[]，可变长数组 + 双指针；
ArrayQueue与LinkedeLIst都实现了Deque接口；
ArrayQueue基于可变长的数组和双指针实现，不支持存储null数据，选用它实现队列比LinkedList更好，也可以用来实现栈；

Map接口

Map的主要实现类有HashMap，LinkedHashMap，HashTable，TreeMap；

HashMap

线程不安全；
JDK1.8之前HashMap的底层数据结构主要是由 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”）；
JDK1.8之后，解决哈希冲突有了较大变化，当链表长度大于阈值（默认8）的时候，将链表转为红黑树，用来减少搜索时间。在转之前，会判断当前数组的长度，如果小于64，会首先选择进行数组扩容，而不是转为红黑树。
初始默认大小16，每次扩变为2倍；如果初始化给值，默认扩成2的幂次方；

HashMap为什么线程不安全？

多线程环境下，在JDK1.7的扩容中，需要进行元素转移，使用的是头插法，也就是链表的顺序会反转，会形成死循环，还可能造成数据丢失；JDK1.8的多线程环境下发生哈希碰撞的时候不再用头插法的方式，而是直接插入链表尾部，不再形成循环链表，但是还是有可能出现数据错误的情况，多线程情况下一个线程插入的数据可能被另一个线程覆盖掉。

ConcurrentHashMap

底层数据结构：

1.8之前采用分段的数组+链表，1.8之后和HashMap一样；

实现线程安全的方式（*）：

JDK1.7的时候，对整个桶数组进行了分割分段，采用了Segment分段锁，继承自ReentrantLock可重入锁，每一把锁只锁容器其中的一部分数据，多线程访问容器里不同数据段的数据，就不存在锁竞争，提高了并发访问率；由Segment数组结构和HashEntry数组结构组成，Segment数组中的每个元素包含一个HashEntry数组，每个HashEntry数组属于链表结构：最大并发度是Segment的个数，默认16；

（图片来自JavaGuide）

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，并发控制使用同步锁synchronized和CAS来操作，锁的粒度更细；整个看起来就像是优化过且线程安全的HashMap；Node数组 + 链表/红黑树，Node只能用于链表的情况，红黑树要使用TreeNode：synchronized只锁住当前链表或红黑树的首节点，这样只要hash不冲突，就不会影响其他node的读写；默认并发度是Node数组的大小；

（图片来自JavaGuide）

LinkedHashMap

继承自HashMap，底层还是数组+链表（红黑树）组成的。此外，增加了一条双向链表，使上面的结构可以保持键值对的插入顺序，实现访问顺序相关逻辑；

HashTable

线程安全；HashTable内部的方法都经过同步锁synchronized修饰；
不能存储null的key和value；
数组 + 链表， 数组是主体，链表解决哈希冲突
初始化不指定大小时，默认11， 每次扩都变为2n + 1；

TreeMap

红黑树（自平衡排序二叉树）；
相比HashMap，TreeMap主要多了对集合中的元素根据键排序的能力，以及对集合内部元素的搜索能力；