本文详细解析了Java中ArrayList、Vector及HashMap的工作原理，包括它们的底层数据结构、扩容机制、线程安全性以及HashMap特有的Fail-Fast机制和可能遇到的问题。
java 中最常用集合类的类层次结构如下：
ArrayList：
public class ArrayList<E> extends AbstractList<E>
implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable
{
private transient Object[] elementData;数据结构：
从ArrayList 的源码中可以看出，ArrayList 采用JAVA 最基本的数据结构数组作为底层的数据结构。
需要注意的地方：
1）当我们不断往Arraylist 中添加数据，ArrayList容量不够，扩容方式如下:
<pre name="code" class="java">private void grow(int minCapacity) {
// overflow-conscious code
int oldCapacity = elementData.length; //新的数据容量是旧数组容量的1.5倍左右
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);
}<span style="font-family: Arial, Helvetica, sans-serif; background-color: rgb(255, 255, 255);">优点：当进行一次扩容后，后续需要经过一段时间才会扩容。</span>缺点：由于扩容后内存是以前的1.5倍左右，容易导致oom 异常
Vector:
从Vector的源码可以看出，Vector 底层也是以数组为数据结构，与ArrayList最大的区别是线程安全的，是因为Vector基本在每个方法前加了synchronized关键字，如下便add 方法的源码
public synchronized boolean add(E e) {
modCount++;
ensureCapacityHelper(elementCount + 1);
elementData[elementCount++] = e;
return true;
}扩容也有一定的区别，如果未指定扩容的大小，默认需要扩容时是原来的两倍，源码如下：
private void grow(int minCapacity) {
// overflow-conscious code
int oldCapacity = elementData.length;
//如果未指定capacityIncrement大小，默认扩容成原来的两倍
int newCapacity = oldCapacity + ((capacityIncrement > 0) ?
capacityIncrement : oldCapacity);
if (newCapacity - minCapacity < 0)
newCapacity = minCapacity;
if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
}
所以基本可以简单的理解为Vector 就是加了synchronized 的ArrayList.
HashMap:
public class HashMap<K,V>
extends AbstractMap<K,V>
implements Map<K,V>, Cloneable, Serializable
{
transient Entry<K,V>[] table = (Entry<K,V>[]) EMPTY_TABLE;static class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
final K key;
V value;
Entry<K,V> next;
int hash;从HashMap 的源码可以看出，HashMap 的数据结构其实就是一个数组加链表的组合结构，如下图：
初始化：
public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {
if (initialCapacity < 0)
throw new IllegalArgumentException("Illegal initial capacity: " +
initialCapacity);
if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)
initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor))
throw new IllegalArgumentException("Illegal load factor: " +
loadFactor);
this.loadFactor = loadFactor;
threshold = initialCapacity;
init();
}void init() {
}从HashMap初始化的源码可以看出，HashMap初始化的时候是一个空的(Entry<K,V>[]) EMPTY_TABLE对象，当第一次put 数据的时候才会初始化实质性数据。如下代码：
public V put(K key, V value) {
<span style="white-space:pre"> </span>//当map 是个空对象，初始化，注意每次初始化map 都是2 的N 倍，可以看后边源码。
if (table == EMPTY_TABLE) {
inflateTable(threshold);
}
<span style="white-space:pre"> </span>//当key 是一个空的时候直接put value 进去
if (key == null)
return putForNullKey(value);
int hash = hash(key);
int i = indexFor(hash, table.length);
for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {
Object k;
if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {
V oldValue = e.value;
e.value = value;
e.recordAccess(this);
return oldValue;
}
}
modCount++;
addEntry(hash, key, value, i);
return null;
}private void inflateTable(int toSize) {
//获取的实际值是2 的N 倍
int capacity = roundUpToPowerOf2(toSize);
threshold = (int) Math.min(capacity * loadFactor, MAXIMUM_CAPACITY + 1);
table = new Entry[capacity];
initHashSeedAsNeeded(capacity);
}
static int indexFor(int h, int length) {
// 用的是&操作
return h & (length-1);
}扩容：
HashMap中有一个loadFactor引子，默认是0.75，当HashMap 的大小大于数组大小*loadFactor的时候，就会发生扩容，比如原来的是8，当是数组大于8*0.75=6 的时候就会发生扩容，扩容成多大呢？不会是9，也不是是10，上边说过HashMap 的大小是2的N次方，所以扩容后就会是16。由于扩容后容量是翻翻，会让数据重新复制，对性能有一定的影响，所以如果知道数据的大小，可以直接指定初始话HashMap的大小。
通ArrayList，很多的OOM 异常也是HashMap扩容导致的，并不是内存不够。
Fail-Fast机制：
我们知道java.util.HashMap不是线程安全的，因此如果在使用迭代器的过程中有其他线程修改了map，那么将抛出ConcurrentModificationException，这就是所谓fail-fast策略
这样，当我们如下方式遍历map，同时用调用remove 删除部分数据的时候就会抛ConcurrentModificationException。
Map<String,String> map = new HashMap<String,String>();
map.put("1", "1");
map.put("2", "2");
for(Entry<String, String> set : map.entrySet()){
map.remove("1");
}为什么会出现这种情况呢？从下边的源码可以看出：
final Entry<K,V> nextEntry() {
//当remove 数据后modeCount 会变化的，所以通过nextEntry遍历数据时，不能通过remove 方法删除数据
if (modCount != expectedModCount)
throw new ConcurrentModificationException();
Entry<K,V> e = next;
if (e == null)
throw new NoSuchElementException();
if ((next = e.next) == null) {
Entry[] t = table;
while (index < t.length && (next = t[index++]) == null)
;
}
current = e;
return e;
}但是如果我们非有这个需求，在遍历的时候删除部分数据，那样可以通过如下方法：
Map<String,String> map = new HashMap<String,String>();
map.put("1", "1");
map.put("2", "2");
Iterator<Entry<String, String>> it = map.entrySet().iterator();
while(it.hasNext()){
Entry<String, String> entry = it.next();
if("1".equals(entry.getKey())){
it.remove();
}
}public void remove() {
if (current == null)
throw new IllegalStateException();
if (modCount != expectedModCount)
throw new ConcurrentModificationException();
Object k = current.key;
current = null;
HashMap.this.removeEntryForKey(k);
<span style="white-space:pre"> </span> //删除的时候重新修改了expectedModCount 的值
expectedModCount = modCount;
}HashMap 可能导致的问题：
1：扩容引起oom 异常。
2：HashMap 在高并发中容易导致死锁，从它的源码中可以看出，如下：
void transfer(Entry[] newTable, boolean rehash) {
int newCapacity = newTable.length;
for (Entry<K,V> e : table) {
while(null != e) {
Entry<K,V> next = e.next;
if (rehash) {
e.hash = null == e.key ? 0 : hash(e.key);
}
int i = indexFor(e.hash, newCapacity);
e.next = newTable[i];
newTable[i] = e;
e = next;
}
}
}
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