(java集合框架篇) 本文从线程，数据结构，基本用法三个方面对常用集合展开进行阐述

要在程序中处理数据，离不开集合的帮忙。要想安全操作集合，就需要了解集合的数据结构，以及如何保证并发操作数据和程序的安全性。本文通过常见集合的整理，方便我们了解各个集合的特点。

1.java集合框架一览

（ps：这里网上找了一份大佬的图，如有侵权，联系我删除，先感谢一下大哥🙏）

2. 如上可以看到java体系中包含两大块：List和Map

2.1 List接口

2.1.1 常用子类及实现

2.1.1.1 ArrayList

• 线程安全：非线程安全。
• 数据结构：动态数组。
• 线程安全实现：
  可以使用 Collections.synchronizedList() 方法包装为线程安全的 List。
  使用 CopyOnWriteArrayList 替代（本质是一个线程安全的 ArrayList 实现）。
• 扩容机制：
  默认初始容量为 10。
  每次扩容时，新容量为旧容量的 1.5 倍（即 newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1)(ps: >> 1表示大小为原来一半)）。
• 操作影响：
  add：在尾部插入元素，若容量不足触发扩容，导致数组复制。
  remove：删除后，后续元素前移。
• 遍历和递增数据：
  普通遍历时，插入或删除元素会导致 ConcurrentModificationException。（实际上称之为：fail-fast。）
• 不能删除元素原因：
  Iterator 是集合提供的专用迭代工具，内部维护了一个修改计数器 (modCount) 和一个迭代器自己的期望计数器 (expectedModCount)。
  当集合结构发生修改（例如添加或删除元素）时，modCount 会增加。
  如果通过 Iterator 的 remove() 方法删除元素，expectedModCount 会与 modCount 同步更新，迭代器认为这是合法修改，因此不会抛出异常。而普通for循环操作增删元素只会修改modCount变量，一次系统认为modCount和expectedModCount不想等，代表并发修改，虽然实际上不是并发操作。但是此时会抛出一场给用户。

2.1.1.2 LinkedList

• 线程安全：非线程安全。
• 数据结构：双向链表。
• 线程安全实现：
  使用 Collections.synchronizedList() 方法包装为线程安全的 List。
• 扩容机制：链表无需扩容，动态调整。
• 操作影响：
  add：插入元素时，创建新节点，调整前后节点引用。
  remove：删除元素时，调整前后节点引用。
• 遍历和递增数据：
  遍历时插入/删除会导致链表结构变化，应使用 Iterator。

2.1.1.3 Vector

• 线程安全：线程安全（内部暴露出来的方法都是synchronized关键字锁住的，以此来保证线程操作的安全性）。
• 数据结构：动态数组。
• 扩容机制：
  默认初始容量为 10。
• 每次扩容时，若未指定增量容量，则扩容为旧容量的两倍。
• 操作影响：
  add 和 remove 类似于 ArrayList，但线程安全开销较大。
• 遍历和递增数据：
  遍历时线程安全，但可能出现数据不一致的逻辑问题。

2.1.1.4 CopyOnWriteArrayList

• 线程安全：线程安全。
• 如何保证线程安全（概述）：
  1.在做修改操作的时候加锁
  2.每次修改都是将元素copy到一个新的数组中，并且将数组赋值到成员变量array中。
  3.利用volatile关键字修饰成员变量array，这样就可以保证array的引用的可见性，每次修改之前都能够拿到最新的array引用。这点很关键。
• 数据结构：基于数组，每次写操作会复制整个数组。
• 线程安全实现：通过写操作时复制整个数组来保证线程安全。
• 扩容机制：同 ArrayList。
• 操作影响：
  add：复制数组后插入元素，性能较低。
  remove：复制数组后删除元素。
• 遍历和递增数据：
  迭代器基于快照，因此不会抛出 ConcurrentModificationException。

2.2 Map接口

2.2.1 常用子类及实现

2.2.1.1 HashMap

• 线程安全：非线程安全。
• 数据结构：数组 + 链表（Java 8 以后链表超过阈值时转换为红黑树）。
• 线程安全实现：
  使用 Collections.synchronizedMap() 包装为线程安全。
  使用 ConcurrentHashMap 替代。
• 扩容机制：
  默认初始容量为 16。
  当负载因子（默认 0.75）超出阈值时，扩容为原数组容量的两倍，重新分布元素。当我们new一个HashMap的时候，当我们默认制定一个大小的时候，实际上会向2的幂次方靠，例如我们指定了大小为11，实际上会开辟一个大小为2^4=16的map。因为后续扩容需要基于2的幂次方扩容，即2倍。
• 操作影响：
  put：插入元素时，可能触发扩容。
  remove：删除元素时调整链表或树。
• 遍历和递增数据：
  遍历时插入/删除会抛出 ConcurrentModificationException，应使用 Iterator。

2.2.1.2 LinkedHashMap

• 线程安全：非线程安全。
• 数据结构：基于 HashMap，并维护一个双向链表记录插入顺序。
• 线程安全实现：
  使用 Collections.synchronizedMap() 包装。
  扩容机制：与 HashMap 相同。
• 操作影响：
  put 和 remove 同 HashMap，但链表顺序会变化。
• 遍历和递增数据：
  遍历时顺序稳定，可插入/删除但需使用 Iterator。

2.2.1.3 ConcurrentHashMap

• 线程安全：线程安全。
• 数据结构：分段锁机制（将哈希表分为16个区域，即segment，分别对每个区域加锁。Java 8 后使用 CAS 和分区数组 + 红黑树）。
• 线程安全实现：
  通过锁分段和 CAS 操作实现高效线程安全。
• 扩容机制：
  默认初始容量为 16。
  扩容为原容量的两倍，按分区扩展。
• 操作影响：
  put 和 remove：高效线程安全，但可能触发扩容。
• 遍历和递增数据：
  遍历时可能包含插入/删除后的数据，但不会抛出异常。

2.2.1.4 TreeMap

• 线程安全：非线程安全。
• 数据结构：红黑树。
• 线程安全实现：
  使用 Collections.synchronizedSortedMap() 包装。
• 扩容机制：无需扩容，动态调整红黑树结构。
• 操作影响：
  put 和 remove 会调整红黑树结构。
• 遍历和递增数据：
  顺序按照键的自然顺序或比较器顺序。

3.总结

安全使用 Java 集合需要根据场景选择合适的集合类型，如单线程使用普通集合，多线程使用线程安全集合（如 CopyOnWriteArrayList 或 ConcurrentHashMap）。在遍历中删除元素时，优先使用 Iterator 的 remove() 方法，避免直接修改集合引发 ConcurrentModificationException。对于多线程场景，可通过同步块或线程安全集合避免数据竞争，尽量使用原子操作。初始化时建议预估容量以减少扩容开销，且在不需要修改时使用不可变集合。此外，应根据性能需求选择适当的遍历方式和集合实现，避免死锁及不必要的开销。