Java集合框架

 

Java类集实际上属于动态对象数组，在实际开发应用中，数组使用的几率并不高，因为数组最大的缺陷就是：数组长度是固定的。由于此问题存在，Java从JDK1.2开始，为了解决数组长度问题，提供了动态的对象数组实现框架--Java类集框架。Java集合类框架实际上就是对数据结构的一种实现。

在Java的类集（java.util包）中提供了俩个最为的核心的接口：Collection、Map接口。

Collection接口

Collection是单个集合保存的最大父接口

     定义如下：public interface Collection<E> extends Iterable<E>

在JDK1.5中开始在Collection接口上追加了泛型，避免了ClassCastException，使保存的数据的类型相同

Collection接口中有add（）、iterator（）两个重要方法

Collection接口主要有List、Set、Queue、Iterator子接口。

List接口--允许重复元素

List接口下主要有ArrayList、LinkedList 、Vector三个常用子类

其中List接口中有俩个重要的子类方法

ArrayList--优先考虑--JDK1.2

接口中主要保存自定义类对象，自定义对象中必须覆写equals()方法，类集中contains()、remove()等方法需要调用equals方法来判断元素是否相等。

底层实现是对象数组，声明一个ArrayList对象时，长度为0

对集合的增删查改是异步处理，性能较高，线程不安全

当数组长度不够时，扩容为原来数组的1.5倍

Vector--JDK1.0

底层实现是对象数组，声明一个Vector对象时，长度为10

对集合的增删查改是同步处理（直接在方法上使用内建锁），性能较低，线程安全

当数组长度不够时，扩容为原来数组的2倍

LinkedList

基于链表实现的动态数组

面试题1：请解释ArrayList与Vector的区别

产生版本：Vector是JDK1.0版本产生的；ArrayList是JDK1.2版本产生的

线程安全：Vector采用在方法上加synchronize来保证线程安全，性能较低；ArrayList采用异步处理，性能较高，线程不安全

初始化及其扩容机制：Vector初始化数组大小是10，当数组不够时，扩容为原来数组的两倍；ArrayList采用懒加载策略，当第一次添加元素时才进行初始化，当数组长度不够时，扩容为原来数组的1.5倍

面试题2：fail-fast与fail-safe

fail-fast：java.util.concurrentModifacationException

如何产生：在集合迭代遍历同时修改集合结构（remove、add）

本质：modCount != expectedModCount

为何抛出此异常：尽量保证多线程场景下数据不会产生脏读

哪些类会抛出此异常：ArrayList、LinkedList、Vector

fail-safe：juc包下集合

ConcurrentHashMap、CopyOnWriteArrayList

 

Set接口--不允许元素重复

Set接口中方法与Collection接口中方法一致，常用有两个子类HashSet、TreeSet

HashSet--无序存储--底层基于哈希表

不允许重复元素，并且无序存储（根据hash码来保存元素），允许存放null值

TreeSet--有序存储--底层基于红黑树

不允许重复元素，并且按照升序排序，不允许存放null值

面试题1：TreeSet有序，序指的是什么

要使用TreeSet必须满足下列两个条件：

       作为TreeSet集合的类，实现Compareable接口（内部排序）；

       通过构造方法传入Compareable接口对象（外部方法）

优先使用外部排序接口（更加灵活、策略模式）

面试题2：HashSet中元素判重依据

hashcode()

equals()

Queue--了解

Deque---双端队列

BlockingQueue---juc下阻塞队列，线程池

Iterator--集合遍历迭代器接口

判断是否有下一个元素：public boolean hasNext()

取得当前元素：public E next()

删除元素：public default void remove() --- JDK1.8开始变为default完整方法

Map接口--保存一对对象的接口

Map接口定义：public interface Map<K,V>

Map接口下常用方法：

Map接口下主要子类有HashMap、Hashtable、CurrentHashMap、TreeMap

HashMap--JDK1.8

源码剖析

1.成员变量、树化阈值

桶个数为16

扩容负载因子为0.75f

树化阈值为8

最小树化容量64

解除树化阈值6----reasize阶段

树化总结：当桶中链表元素超过8并且哈希表总元素个数超过64，此时桶中链表结构会转换为红黑树，否则，只是简单的扩容

why树化：当桶中链表元素个数太大会大大影响查找速度，因此将其树化来提高指定结点的速度

2.初始化策略

HashMap采用lady_load策略，当第一个put时，才将哈希表初始化

无参构造：仅仅赋值负载因子0.75

有参构造：初始化容量必须为2的整数幕，若传入非2的整数幕的数，则会调用tableSizeFor返回离2^n最近的数。eg：传15，返回16

3.put、get方式

put方法流程：

1.若HashMap还未初始化，调用reasize进行初始化操作；

2.对Key值Hash取得要存储的桶下标：

       a.若桶中为空，则将结点直接作为桶的头结点保存；

       b.若桶不为空

              若树化，使用树化方式添加新节点

              将新节点以链表形式尾插到最后，添加元素后，链表的个数binCount>=-1树化阈值，尝试进行树化操作

       c.若桶中存在相同key结点，替换value值

3.添加元素后，计算整个哈希表的大小，若超过threshold（容量*负载因子），进行reasize扩容机制

get方法流程：

1.若哈希表已经初始化并且桶中首结点不为空

       a.查找结点的key值恰好等于首节点，直接返回首节点

       b.进行桶元素的遍历，查找指定结点

              若树化，则按照树的方式进行查找

              按照链表方式查找

2.哈希表为空或桶的首节点为空，直接返回null

4.哈希算法、扩容机制、性能

哈希算法：返回高低16位共同参与运算的hash值

扩容机制(reasize)：判断哈希表是否初始化，若还未初始化，根据InittalCapcity值进行初始化操作；若表已初始化，则按照哈希表二倍方式扩容

扩容后进行原表的移动：若桶中结点已经树化，调用树的方式移动元素；若在移动过程中发现红黑树小于等于6，会将红黑树解除树化，还原为链表；若还未树化，则按照链表的方式移动元素

性能：多线程条件下，由于条件竞争，容易造成死锁；rehash是一个较为耗时的过程(在能预估元素个数的前提下，尽量自定义初始化容量，减少reasize个数)

面试题：为何不直接把Object的HashCode返回桶下标

几乎不会发生哈希碰撞，需要桶的个数太多

Hashtable---基于哈希表存储元素

早期版本的Map实现

初始化策略：当产生对象时就将HashMap初始化

线程安全：在get、put、remove等方法上使用内建锁将整个哈希表上锁

使用串行化操作整表，性能较低

面试题：如何优化Hashtable性能？

使用分段锁，将锁细粒度化，将整锁拆成多个锁进行优化

CurrentHashMap

JDK1.7实现

基于分段锁Segment进行实现，每个Segment都是ReentrantLock的子类

结构：将哈希表分为16个Segment，每个Segment下都是一个小的哈希表

关于锁：将原来的整表一把锁细粒度化为每个Segment一把锁，并且不同的Segment之间互不干扰

扩容机制：Segment初始化后无法扩容（默认为16），扩容实际上是对每个Segment的下小的哈希表进行扩容，并且每个哈希表下扩容完全隔离

JDK1.8实现

结构：与JDK1.8中HashMap基本一样，也是哈希表加红黑树，原先的Segment的保留，但是没有什么实际意义，仅仅用作序列化

关于锁：将原先锁一片区域，再次细粒度化，只锁桶中的头结点（使用CAS+同步代码块（synchronized））

面试题1：对比JDK7和JDK8中CurrentHashMap

结构上：JDK7是基于分段锁的Segment；JDK8是哈希表+红黑树

锁的使用：JDK7使用ReentrantLock对Segment上锁；JDK8使用CAS+synchronized代码块

面试题2：为什么JDK8又重新使用synchronize内建锁

在现版本JDK中，内建锁与Lock锁性能上基本差不多，甚至在低竞争场景下优于Lock；使用synchronize可以节省大量的空间，这是相较于ReentrantLock最大的优势

TreeMap

TreeMap是一个可以排序的Map子类，它按照key的内容进行排序

排序依旧是按照Compareable接口完成的

结论：有Compareable接口出现的地方，判断数据就依靠compareTo()方法实现，不再需要equals()和hashcode()