java后端知识点梳理——java集合

集合概览

Java中的集合，从上层接口上看分为了两类，Map和Collection。Map是和Collection并列的集合上层接口，没有继承关系。

Java中的常见集合可以概括如下。

• Map接口和Collection接口是所有集合框架的父接口
• Collection接口的子接口包括：Set接口和List接口
• Map接口的实现类主要有：HashMap、TreeMap、HashtableLinkedHashMap、ConcurrentHashMap以及Properties等
• Set接口的实现类主要有：HashSet、TreeSet、LinkedHashSet等
• List接口的实现类主要有：ArrayList、LinkedList、Stack以及Vector等

HashMap和Hashtable的区别有哪些？

• HashMap没有考虑同步，是线程不安全的；Hashtable使用了synchronized关键字，是线程安全的；
• HashMap允许null作为Key；Hashtable不允许null作为Key，Hashtable的value也不可以为null

HashMap是线程不安全的是吧？你可以举一个例子吗？

先别说快速失败机制

• HashMap线程不安全主要是考虑到了多线程环境下进行扩容可能会出现HashMap死循环
• Hashtable线程安全是由于其内部实现在put和remove等方法上使用synchronized进行了同步，所以对单个方法的使用是线程安全的。但是对多个方法进行复合操作时，线程安全性无法保证。 比如一个线程在进行get然后put更新的操作，这就是两个复合操作，在两个操作之间，可能别的线程已经对这个key做了改动，所以，你接下来的put操作可能会不符合预期。

快速失败（fast-fail）机制

快速失败是Java集合的一种错误检测机制，当多个线程对集合进行结构上的改变的操作时，有可能会产生fail-fast。

例如

假设存在两个线程（线程1 、线程2) ， 线程1通过Iterator 在遍历集合 A 中的元素， 在某个时候线程2修改了集合A 的结构（是结构上面的修改，而 不是简单的修改集合元素的内容）， 那么这个时候程序就会抛出异常从而产生快速失败机制。

原因

迭代器在遍历时直接访问集合中的内容， 并且在遍历过程中使用—个 modCount 变量。集合在被遍历期间如果内容发生变化， 就会改变modCount 的值。每当迭代器使用hashNext（）/next（）遍历下一个元素之前， 都会检测 modCount 变量是否为expectedmodCount 值，是的话就返回遍历； 否则抛出异常， 终止遍历。

解决方法

• 在遍历过程中， 所有涉及到改变modCount 值得地方全部加上synchronized。
• 使用线程安全的集合

hashmap

hashmap推荐看我的另一篇文章：

hashmap专题

这里简单补充一下一致性Hash算法

一致性Hash：

​客户端分片：哈希+顺时针（优化取余）
节点伸缩：只影响邻近节点，但是还是有数据迁移
​翻倍伸缩：保证最小迁移数据和负载均衡

​一致性Hash可以很好的解决稳定问题，可以将所有的存储节点排列在收尾相接的Hash环上，每个key在计算Hash后会顺时针找到先遇到的一组存储节点存放。而当有节点加入或退出时，仅影响该节点在Hash环上顺时针相邻的后续节点，将数据从该节点接收或者给予。但这有带来均匀性的问题，即使可以将存储节点等距排列，也会在存储节点个数变化时带来数据的不均匀。而这种可能成倍数的不均匀在实际工程中是不可接受的。

【未完待续】

ConcurrentHashMap和Hashtable的区别？

ConcurrentHashMap结合了HashMap和Hashtable二者的优势。HashMap没有考虑同步，Hashtable考虑了同步的问题。但是Hashtable在每次同步执行时都要锁住整个结构。

ConcurrentHashMap锁的方式是稍微细粒度的，ConcurrentHashMap将hash表分为16个桶（默认值），诸如get，put，remove等常用操作只锁上当前需要用到的桶。

ConcurrentHashMap的具体实现方式(分段锁)

该类包含两个静态内部类MapEntry和Segment，前者用来封装映射表的键值对，后者用来充当锁的角色。

segment

Segment是一种可重入的锁ReentrantLock，每个Segment守护一个HashEntry数组里得元素，当对HashEntry数组的数据进行修改时，必须首先获得对应的Segment锁。

在JDK1.7及其之前ConcurrentHashMap实现线程安全的方法相对比较简单：

• 其内部将数据分为数个“段（Segment）”，其数量和并发级别有关系，具体是“大于等于并发级别的最小的2的幂次”。
• 每个segment使用单独的ReentrantLock（分段锁）。
• 如果操作涉及不同segment，则可以并发执行，如果是同一个segment则会进行锁的竞争和等待。
• 此设计的效率是高于synchronized的。

不过JDK8之后，ConcurrentHashMap舍弃了ReentrantLock，而重新使用了synchronized。其原因大致有一下几点：

• 加入多个分段锁浪费内存空间。
• 生产环境中， map 在放入时竞争同一个锁的概率非常小，分段锁反而会造成更新等操作的长时间等待。
• 为了提高 GC 的效率

新的ConcurrentHashMap中使用synchronized关键字+CAS操作保证了线程安全。

TreeMap有哪些特性？

TreeMap底层使用红黑树实现，TreeMap中存储的键值对按照键来排序。

• 如果Key存入的是字符串等类型，那么会按照字典默认顺序排序
• 如果传入的是自定义引用类型，比如说User，那么该对象必须实现Comparable接口，并且覆盖其compareTo方法；或者在创建TreeMap的时候，我们必须指定使用的比较器。

如下所示：

// 方式一：定义该类的时候，就指定比较规则
class User implements Comparable{
    @Override
    public int compareTo(Object o) {
        // 在这里边定义其比较规则
        return 0;
    }
}
public static void main(String[] args) {
    // 方式二：创建TreeMap的时候，可以指定比较规则
    new TreeMap<User, Integer>(new Comparator<User>() {
        @Override
        public int compare(User o1, User o2) {
            // 在这里边定义其比较规则
            return 0;
        }
    });
}

引申：那么Comparable接口和Comparator接口有哪些区别呢？

• Comparable实现比较简单，但是当需要重新定义比较规则的时候，必须修改源代码，即修改User类里边的compareTo方法
• Comparator接口不需要修改源代码，只需要在创建TreeMap的时候重新传入一个具有指定规则的比较器即可。

补充：comparable 和comparator的区别？

comparable接口出自java.lang包，它有一个compareTo(Object obj)方法用来排序
comparator接口出自java.util包，它有一个compare(Object obj1 Object obj2) 方法用来排序

ArrayList和LinkedList有哪些区别？

• ArrayList底层使用了动态数组实现，实质上是一个动态数组
• LinkedList底层使用了双向链表实现，可当作堆栈、队列、双端队列使用
• ArrayList在随机存取方面效率高于LinkedList
• LinkedList在节点的增删方面效率高于ArrayList
• ArrayList必须预留一定的空间，当空间不足的时候，会进行扩容操作
• LinkedList的开销是必须存储节点的信息以及节点的指针信息

其实还有一个集合Vector，它是线程安全的ArrayList，但是已经被废弃，不推荐使用了。多线程环境下，我们可以使用CopyOnWriteArrayList替代ArrayList来保证线程安全。

HashSet和TreeSet有哪些区别？

• HashSet底层使用了Hash表实现。
  • 保证元素唯一性的原理：判断元素的hashCode值是否相同。如果相同，还会继续判断元素的equals方法，是否为true
• TreeSet底层使用了红黑树来实现。
  • 保证元素唯一性是通过Comparable或者Comparator接口实现

HashSet和HashMap

其实，HashSet的底层实现还是HashMap，只不过其只使用了其中的Key，具体如下所示：

• HashSet的add方法底层使用HashMap的put方法将key = e，value=PRESENT构建成key-value键值对，当此e存在于HashMap的key中，则value将会覆盖原有value，但是key保持不变，所以如果将一个已经存在的e元素添加中HashSet中，新添加的元素是不会保存到HashMap中，所以这就满足了HashSet中元素不会重复的特性。
• HashSet的contains方法使用HashMap得containsKey方法实现

LinkedHashMap和LinkedHashSet有了解吗？

LinkedHashMap内部的Entry继承于HashMap.Node，这两个类都实现了Map.Entry<K,V>
LinkedHashMap的Entry不光有value，next，还有before和after属性，这样通过一个双向链表，保证了各个元素的插入顺序
通过构造方法public LinkedHashMap(int initialCapacity,float loadFactor,boolean accessOrder)， accessOrder传入true可以实现LRU缓存算法（访问顺序）
LinkedHashSet 底层使用LinkedHashMap实现，两者的关系类似与HashMap和HashSet的关系，大家可以自行类比。

什么是LRU算法？LinkedHashMap如何实现LRU算法？

LRU（Least recently used，最近最少使用）算法根据数据的历史访问记录来进行淘汰数据，其核心思想是“如果数据最近被访问过，那么将来被访问的几率也更高”。思路如下

1. 新数据插入到链表头部；
2. 每当缓存命中（即缓存数据被访问），则将数据移到链表头部；
3. 当链表满的时候，将链表尾部的数据丢弃。

关于【命中率】

当存在热点数据时，LRU的效率很好，但偶发性的、周期性的批量操作会导致LRU命中率急剧下降，缓存污染情况比较严重。

import java.util.LinkedHashMap;
import java.util.Map;

public class LRUTest {

    private static int size = 5;

    public static void main(String[] args) {
        Map<String, String> map = new LinkedHashMap<String, String>(size, 0.75f, true) {
            @Override
            protected boolean removeEldestEntry(Map.Entry<String, String> eldest) {
                return size() > size;
            }
        };
        map.put("1", "1");
        map.put("2", "2");
        map.put("3", "3");
        map.put("4", "4");
        map.put("5", "5");
        System.out.println(map.toString());

        map.put("6", "6");
        System.out.println(map.toString());
        map.get("3");
        System.out.println(map.toString());
        map.put("7", "7");
        System.out.println(map.toString());
        map.get("5");
        System.out.println(map.toString());
    }
}

List和Set的区别？

• List是有序的并且元素是可以重复的
• Set是无序（LinkedHashSet除外）的，并且元素是不可以重复的

说明： 此处的有序和无序是指放入顺序和取出顺序是否保持一致

Iterator和ListIterator的区别是什么？

• Iterator可以遍历list和set集合；ListIterator只能用来遍历list集合
• Iterator前者只能前向遍历集合；ListIterator可以前向和后向遍历集合
• ListIterator其实就是实现了前者，并且增加了一些新的功能。

Iterato参考代码：

ArrayList<String> list =  new ArrayList<>();
list.add("zhangsan");
list.add("lisi");
list.add("yangwenqiang");
// 创建迭代器实现遍历集合
Iterator<String> iterator = list.iterator();
while(iterator.hasNext()){
    System.out.println(iterator.next());
}

Collection和Collections有什么关系？

Collection和Collections的关系： Collection是一个顶层集合接口，其子接口包括List和Set；而Collections是一个集合工具类，可以操作集合，比如说排序，二分查找，拷贝集合，寻找最大最小值等。 总而言之：带s的大都是工具类。

说在最后

附上集合接口和实现类的关系

如果感兴趣，可以配合我的java集合面试题来看。