Java集合框架深入解析-优快云博客

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/wuprogrammer/article/details/108070988

1.浅拷贝和深拷贝的区别

2.接口和抽象类的区别

（1）抽象类：

1、抽象类使用abstract修饰；
2、抽象类不能实例化，即不能使用new关键字来实例化对象；
3、含有抽象方法（使用abstract关键字修饰的方法）的类是抽象类，必须使用abstract关键字修饰；
4、抽象类可以含有抽象方法，也可以不包含抽象方法，抽象类中可以有具体的方法；
5、如果一个子类实现了父类（抽象类）的所有抽象方法，那么该子类可以不必是抽象类，否则就是抽象类；
6、抽象类中的抽象方法只有方法体，没有具体实现；

（2）接口：

1、接口使用interface修饰；
2、接口不能被实例化；
3、一个类只能继承一个类，但是可以实现多个接口；
4、JDK1.8中为了加强接口的能力，使得接口可以存在具体的方法，前提是方法需要被default或static关键字所修饰

3.default关键字

两种使用方法：

在switch语句的时候使用default
在定义接口的时候使用default来修饰具体的方法

1、default修饰的目的是让接口可以拥有具体的方法，让接口内部包含了一些默认的方法实现。
2、既只要实现该接口的类，都具有这么一个默认方法，默认方法也可以被重写。
3、实现某个接口的类都具有某个同样的功能，如果像Java8以前的版本，那么每个实现类都需要写一段重复的代码去实现那个功能，显得没有必要。这就是存在的意义。

注意：
另外这里既然提到了接口的修饰符default，那么就要注意一点，如果一个类实现了两个接口（可以看做是“多继承”），这两个接口又同时都包含了一个名字相同的default方法，那么会发生什么情况？在这样的情况下，编译器是会报错，得到一个编译器错误，因为编译器不知道应该在两个同名的default方法中选择哪一个，因此产生了二义性。
在这里插入图片描述

4.什么是面向对象

1、面向对象是一种思想，是基于面向过程而言的，就是说面向对象是将功能等通过对象来实现，将功能封装进对象之中，让对象去实现具体的细节；这种思想是将数据作为第一位，而方法或者说是算法作为其次，这是对数据一种优化，操作起来更加的方便，简化了过程。

2、面向对象有三大特征：封装性、继承性、多态性，
（1）其中封装性指的是隐藏了对象的属性和实现细节，仅对外提供公共的访问方式，这样就隔离了具体的变化，便于使用，提高了复用性和安全性。

(2) 继承性，就是两种事物间存在着一定的所属关系，那么继承的类就可以从被继承的类中获得一些属性和方法；这就提高了代码的复用性。继承是作为多态的前提的。

(3)多态是说父类或接口的引用指向了子类对象，这就提高了程序的扩展性，也就是说只要实现或继承了同一个接口或类，那么就可以使用父类中相应的方法，提高程序扩展性，但是多态有一点不好之处在于：父类引用不能访问子类中的成员。

5.重载和重写的区别

在这里插入图片描述
使用同名方法实现不同的情况

在这里插入图片描述

6.ArrayList和LinkedList的底层实现

一个是动态数组，一个是双向链表
ArrayList适合于随机访问，LinkedList适合于增加删除

7.HashMap和LinkedHashMap和TreeMap的底层区别

（1）按照有序无序

参考：链接描述

（2）按照底层实现

在这里插入图片描述

8.HashSet和TreeSet底层有什么区别

参考：链接描述

9.ArrayList和HashMap的底层数据接口和增删改查和扩容操作

（1）ArrayList(JDK1.8版)

1.概述

ArrayList是实现List接口的动态数组，所谓动态就是它的大小是可变的。实现了所有可选列表操作，并允许包括 null 在内的所有元素。除了实现 List 接口外，此类还提供一些方法来操作内部用来存储列表的数组的大小。每个ArrayList实例都有一个容量，该容量是指用来存储列表元素的数组的大小。默认初始容量为10。随着ArrayList中元素的增加，它的容量也会不断的自动增长。

在每次添加新的元素时，ArrayList都会检查是否需要进行扩容操作，扩容操作带来数据向新数组的重新拷贝，所以如果我们知道具体业务数据量，在构造ArrayList时可以给ArrayList指定一个初始容量，这样就会减少扩容时数据的拷贝问题。当然在添加大量元素前，应用程序也可以使用ensureCapacity操作来增加ArrayList实例的容量，这可以减少递增式再分配的数量。

注意，ArrayList实现不是同步的。如果多个线程同时访问一个ArrayList实例，而其中至少一个线程从结构上修改了列表，那么它必须保持外部同步。所以为了保证同步，最好的办法是在创建时完成，以防止意外对列表进行不同步的访问：

 List list = Collections.synchronizedList(new ArrayList(...));

2.继承关系

ArrayList继承AbstractList抽象父类，实现了List接口（规定了List的操作规范）、RandomAccess（可随机访问）、Cloneable（可拷贝）、Serializable（可序列化）。

3.底层数据结构

ArrayList的底层是一个object数组，并且由transient修饰。

transient Object[] elementData;

关于transient语法:

non-private to simplify nested class access //ArrayList底层数组不会参与序列化，而是使用另外的序列化方式。

4.常用方法（增删改查）

4.1 添加元素

4.1.1 add(int index, E element)

添加元素时，首先判断索引是否合法，然后检测是否需要扩容，最后使用System.arraycopy方法来完成数组的复制。

这个方法无非就是使用System.arraycopy()方法将C集合(先准换为数组)里面的数据复制到elementData数组中。这里就稍微介绍下System.arraycopy()，因为下面还将大量用到该方法

。该方法的原型为：

public static void arraycopy(Object src, int srcPos, Object dest, int destPos, int length)

它的根本目的就是进行数组元素的复制。将源数组src从srcPos位置开始复制到dest数组中，复制长度为length，数据从dest的destPos位置开始粘贴。

    public void add(int index, E element) {
        rangeCheckForAdd(index);

        ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
        System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,
        size - index);
        elementData[index] = element;
        size++;
    }

4.2 删除元素（数组元素会往前移动，那么用原始size肯定有问题）

删除元素时，同样判断索引是否和法，删除的方式是把被删除元素右边的元素左移，方法同样是使用System.arraycopy进行拷贝。

    public E remove ( int index){
        rangeCheck(index);

        modCount++;
        E oldValue = elementData(index);

        int numMoved = size - index - 1;
        if (numMoved > 0)
            System.arraycopy(elementData, index + 1, elementData, index,
                             numMoved);
        elementData[--size] = null; // clear to let GC do its work

        return oldValue;
    }

4.3 清空元素

ArrayList提供一个清空数组的办法，方法是将所有元素置为null，这样就可以让GC自动回收掉没有被引用的元素了。

    /**
    * Removes all of the elements from this list.  The list will
    * be empty after this call returns.
    */
    public void clear() {
        modCount++;

        // clear to let GC do its work
        for (int i = 0; i < size; i++)
        elementData[i] = null;

        size = 0;
    }

4.4 设置元素

修改元素时，只需要检查下标即可进行修改操作

    public E set(int index, E element) {
        rangeCheck(index);

        E oldValue = elementData(index);
        elementData[index] = element;
        return oldValue;
    }

    public E get(int index) {
        rangeCheck(index);

        return elementData[index];
    }

上述方法都使用了rangeCheck方法，其实就是简单地检查下标而已。

     private void rangeCheckForAdd(int index) {
        if (index > this.size || index < 0) {
            throw new IndexOutOfBoundsException(this.outOfBoundsMsg(index));
        }
    }}

modCount

    protected transient int modCount = 0;

modCount设计Fail-fast机制，参考：https://www.cnblogs.com/songanwei/p/9387745.html

5.扩容机制

    // 扩容发生在add元素时，传入当前元素容量加一
    public boolean add(E e) {
        ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
        elementData[size++] = e;
        return true;
    }


    // 使用无参构造方法时，设置该初始化数组
    private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};

    // 如果数组还是初始数组，那么最小的扩容大小就是size+1和初始容量中较大的一个，初始容量为10。
    // 因为addall方法也会调用该函数，所以此时需要做判断
    private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
        if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
            minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
        }

        ensureExplicitCapacity(minCapacity);
    }

    // 开始精确地扩容
    private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
        modCount++;

        // overflow-conscious code
        // 如果此时扩容容量大于数组长度吗，执行grow，否则不执行。
        if (minCapacity - elementData.length > 0)
            grow(minCapacity);
    }

真正执行扩容的方法grow

扩容方式是让新容量等于旧容量的1.5倍。当新容量大于最大数组容量时，执行大数扩容。

    private void grow(int minCapacity) {
        // overflow-conscious code
        int oldCapacity = elementData.length;
        int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
        if (newCapacity - minCapacity < 0)
        // 数组此时是空数组或者addAll，一直添加大容量数据，导致频繁扩容，所以OOM，刚开始最好设定默认容量构造elementData
        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);
    }

当新容量大于最大数组长度，有两种情况，一种是溢出，抛异常，一种是没溢出，返回整数的最大值。

    private static int hugeCapacity(int minCapacity) {
        if (minCapacity < 0) // overflow
            throw new OutOfMemoryError();
        return (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ?
            Integer.MAX_VALUE :
            MAX_ARRAY_SIZE;
    }

在grow函数中有一个变量需要注意一下MAX_ARRAY_SIZE：

还有这里为什么要用Integer.MAX_VALUE-8呢，因为数组在虚拟机中存储时需要8字节来存储其自身的大小。

在这里有一个疑问，为什么每次扩容处理会是1.5倍，而不是2.5、3、4倍呢？

通过google查找，发现1.5倍的扩容是最好的倍数。因为一次性扩容太大(例如2.5倍)可能会浪费更多的内存(1.5倍最多浪费33%，而2.5被最多会浪费60%，3.5倍则会浪费71%……)。但是一次性扩容太小，需要多次对数组重新分配内存，对性能消耗比较严重。所以1.5倍刚刚好，既能满足性能需求，也不会造成很大的内存消耗。

ArrayList还给我们提供了将底层数组的容量调整为当前列表保存的实际元素的大小的功能。它可以通过trimToSize()方法来实现。该方法可以最小化ArrayList实例的存储量。

    public void trimToSize() {
        modCount++;
        int oldCapacity = elementData.length;
        if (size < oldCapacity) {
            elementData = Arrays.copyOf(elementData, size);
        }
    }

public ArrayList(Collection<? extends E> c) {
        this.elementData = c.toArray();
        if ((this.size = this.elementData.length) != 0) {
            if (this.elementData.getClass() != Object[].class) {
                // 因为底层存储的是Object数据，所以这里又创建了Object数组
                this.elementData = Arrays.copyOf(this.elementData, this.size, Object[].class);
            }
        } else {
            this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
        }

    }
@HotSpotIntrinsicCandidate
public static <T, U> T[] copyOf(U[] original, int newLength, Class<? extends T[]> newType) {
    T[] copy = newType == Object[].class ? new Object[newLength] : (Object[])Array.newInstance(newType.getComponentType(), newLength);
    System.arraycopy(original, 0, copy, 0, Math.min(original.length, newLength));
    return copy;
}

6.线程安全

ArrayList是线程不安全的。在其迭代器iteator中，如果有多线程操作导致modcount改变，会执行fastfail。抛出异常。

    final void checkForComodification() {
        if (modCount != expectedModCount)
        throw new ConcurrentModificationException();
    }

7.fail-fast机制

    // 1.使用迭代器遍历数组元素
    Iterator it = arr.iterator();

    // 2.判断是否有可以迭代的元素
    while(it.hasNext()){
        // 取出一个元素，并指向下一个元素
        Object obj = it.next();
    }

参考：链接描述

(2)HashMap

HashMap也是我们使用非常多的Collection，HashMap是基于哈希表的 Map 接口的实现类，以key-value的形式存在。在HashMap中，key-value总是会当做一个整体来处理，系统会根据hash算法来来计算key-value的存储位置，我们总是可以通过key快速地存、取value。下面就来分析HashMap的存取。

1.定义

HashMap实现了Map接口，继承AbstractMap。其中Map接口定义了键映射到值的规则，而AbstractMap类提供 Map 接口的骨干实现，以最大限度地减少实现此接口所需的工作，其实AbstractMap类已经实现了Map

public class HashMap<K,V>
    extends AbstractMap<K,V>
    implements Map<K,V>, Cloneable, Serializable

2.构造函数

HashMap 中有四个构造方法，它们分别如下：

    // 默认构造函数。
    public HashMap() {
        // 默认容量为16
        this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; // all   other fields defaulted
     }

     // 包含另一个“Map”的构造函数
     public HashMap(Map<? extends K, ? extends V> m) {
         this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;
         putMapEntries(m, false);//下面会分析到这个方法
     }

     // 指定“容量大小”的构造函数
     public HashMap(int initialCapacity) {
         this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
     }
	 
     // 指定“容量大小”和“加载因子”的构造函数
     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;
         this.threshold = tableSizeFor(initialCapacity);
     }

putMapEntries方法：

    final void putMapEntries(Map<? extends K, ? extends V> m, boolean evict) {
        int s = m.size();
        if (s > 0) {
            // 判断table是否已经初始化
            if (table == null) { // pre-size
                // 你需要存放元素，必须table是否初始化, 判断要存放这些元素，数组长度应该多大
                float ft = ((float)s / loadFactor) + 1.0f;

                int t = ((ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY) ?
                        (int)ft : MAXIMUM_CAPACITY);

                // 计算得到的t大于阈值，则初始化阈值(阈值是衡量当前是否应该扩增的标准，threshold也就是当前数组容量）
                if (t > threshold)
                    threshold = tableSizeFor(t);
            }
            // 已初始化，并且m元素个数大于阈值，进行扩容处理
            else if (s > threshold)
                resize();
            // 如果已经大于threshold，那么就进行扩若resize,否则初始化tableSizeFor(t)
            
            // 将m中的所有元素添加至HashMap中
            for (Map.Entry<? extends K, ? extends V> e : m.entrySet()) {
                K key = e.getKey();
                V value = e.getValue();
                putVal(hash(key), key, value, false, evict);
            }
        }
    }

3.put方法

HashMap只提供了put用于添加元素，putVal方法只是给put方法调用的一个方法，并没有提供给用户使用。

对putVal方法添加元素的分析如下：

public V put(K key, V value) {
    return putVal(hash(key), key, value, false, true);
}

final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
                   boolean evict) {
    Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
    // table未初始化或者长度为0，进行扩容
    if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
        n = (tab = resize()).length;
    // (n - 1) & hash 确定元素存放在哪个桶中，桶为空，新生成结点放入桶中(此时，这个结点是放在数组中)
    if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
        tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
    // 桶中已经存在元素
    else {
        Node<K,V> e; K k;
        // 比较桶中第一个元素(数组中的结点)的hash值相等，key相等
        if (p.hash == hash &&
            ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                // 将第一个元素赋值给e，用e来记录
                e = p;
        // hash值不相等，即key不相等；为红黑树结点
        else if (p instanceof TreeNode)
            // 放入树中
            e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
        // 为链表结点
        else {
            // 在链表最末插入结点
            for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
                // 到达链表的尾部
                if ((e = p.next) == null) {
                    // 在尾部插入新结点
                    p.next = newNode(hash, key, value, null);
                    // 结点数量达到阈值，转化为红黑树
                    if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
                        treeifyBin(tab, hash);
                    // 跳出循环
                    break;
                }
                // 判断链表中结点的key值与插入的元素的key值是否相等
                if (e.hash == hash &&
                    ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                    // 相等，跳出循环
                    break;
                // 用于遍历桶中的链表，与前面的e = p.next组合，可以遍历链表
                p = e;
            }
        }
        // 表示在桶中找到key值、hash值与插入元素相等的结点uii
        if (e != null) { 
            // 记录e的value
            V oldValue = e.value;
            // onlyIfAbsent为false或者旧值为null
            if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
                //用新值替换旧值
                e.value = value;
            // 访问后回调
            afterNodeAccess(e);
            // 返回旧值
            return oldValue;
        }
    }
    // 结构性修改
    ++modCount;
    // 实际大小大于阈值则扩容
    if (++size > threshold)
        resize();
    // 插入后回调
    afterNodeInsertion(evict);
    return null;
}

JDK1.8使用的是尾插法

我们再来对比一下 JDK1.7 put方法的代码

对于put方法的分析如下：

①如果定位到的数组位置没有元素就直接插入。
②如果定位到的数组位置有元素，遍历以这个元素为头结点的链表，依次和插入的key比较，如果key相同就直接覆盖，不同就采用头插法插入元素。

public V put(K key, V value)
    if (table == EMPTY_TABLE) { 
    inflateTable(threshold); 
}  
    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) { // 先遍历
        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);  // 再插入
    return null;
}

4.get方法

public V get(Object key) {
    Node<K,V> e;
    return (e = getNode(hash(key), key)) == null ? null : e.value;
}

final Node<K,V> getNode(int hash, Object key) {
    Node<K,V>[] tab; Node<K,V> first, e; int n; K k;
    if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
        (first = tab[(n - 1) & hash]) != null) {
        // 数组元素相等
        if (first.hash == hash && // always check first node
            ((k = first.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
            return first;
        // 桶中不止一个节点
        if ((e = first.next) != null) {
            // 在树中get
            if (first instanceof TreeNode)
                return ((TreeNode<K,V>)first).getTreeNode(hash, key);
            // 在链表中get
            do {
                if (e.hash == hash &&
                    ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                    return e;
            } while ((e = e.next) != null);
        }
    }
    return null;
}

5.resize扩容方法

进行扩容，会伴随着一次重新hash分配，并且会遍历hash表中所有的元素，是非常耗时的。在编写程序中，要尽量避免resize。

jdk1.7时会rehash，这里有hash分配，也有rehash

final Node<K,V>[] resize() {
    Node<K,V>[] oldTab = table;
    int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;
    int oldThr = threshold;
    int newCap, newThr = 0; 
    if (oldCap > 0) {
        // 超过最大值就不再扩充了，就只好随你碰撞去吧
        if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
            threshold = Integer.MAX_VALUE;
            return oldTab;
        }
        // 没超过最大值，就扩充为原来的2倍 
        else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY && oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
            newThr = oldThr << 1; // double threshold
    }
    else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold
        newCap = oldThr;
    else { 
        // signifies using defaults
        newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;
        newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);
    }
    // 计算新的resize上限
    if (newThr == 0) {
        float ft = (float)newCap * loadFactor;
        newThr = (newCap < MAXIMUM_CAPACITY && ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY ? (int)ft : Integer.MAX_VALUE);
    }
    threshold = newThr;
    @SuppressWarnings({"rawtypes","unchecked"})
     Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap];
    table = newTab;
    if (oldTab != null) {
        // 把每个bucket都移动到新的buckets中
        for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {
            Node<K,V> e;
            if ((e = oldTab[j]) != null) {
                oldTab[j] = null;
                if (e.next == null)
                    newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;
                else if (e instanceof TreeNode)
                    ((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);
                else { 
                    Node<K,V> loHead = null, loTail = null;
                    Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null;
                    Node<K,V> next;
                    do {
                        next = e.next;
                        // 和源长度偶数进行位&只有两种结果，一种是0，一种是源长度，根据这种方法，可以将两者分开，
                        // 源长度是2的n次方，能和偶数对上就为源长度，否则为0，为0的话就是低位
                        // 使用尾插法的形式，将数据分开
                        if ((e.hash & oldCap) == 0) {
                            if (loTail == null)
                                loHead = e;
                            else
                                loTail.next = e;
                            loTail = e;
                        }
                        // 原索引+oldCap
                        else {
                            if (hiTail == null)
                                hiHead = e;
                            else
                                hiTail.next = e;
                            hiTail = e;
                        }
                    } while ((e = next) != null);
                    // 低位放到原来bucket里面
                    // 原索引放到bucket里
                    if (loTail != null) {
                        loTail.next = null;
                        newTab[j] = loHead;
                    }
                    // 高位放到原来的bucket+oldCap位置
                    // 原索引+oldCap放到bucket里
                    if (hiTail != null) {
                        hiTail.next = null;
                        newTab[j + oldCap] = hiHead;
                    }
                }
            }
        }
    }
    return newTab;
}