随笔③ java集合类 --- ArrayList，LinkedList，Vector，Hashtable，HashMap，ConcurrentHashMap

java集合类 --- 继承关系

java集合类 --- List接口

java.util.Collection 是一个集合接口。它提供了对集合对象进行基本操作的通用接口方法。Collection接口在Java 类库中有很多具体的实现。Collection接口的意义是为各种具体的集合提供了最大化的统一操作方式。

java.util.Collections 是一个包装类。它包含有各种有关集合操作的静态多态方法。此类不能实例化，就像一个工具类，服务于Java的Collection框架。

一：ArrayList

① ArrayList有三个构造函数：

（1）ArrayList()构造一个初始容量为 10 的空列表。

（2）ArrayList(Collection<? extends E> c)构造一个包含指定 collection 的元素的列表，这些元素是按照该 collection 的迭代器返回它们的顺序排列的。

（3）ArrayList(int initialCapacity)构造一个具有指定初始容量的空列表。

② ArrayList是实现了基于动态数组的数据结构。

这里的所谓动态数组并不是那个“ 有多少元素就申请多少空间 ”的意思，通过查看源码，可以发现，这个动态数组是这样实现的，如果没指定数组大小，则申请默认大小为10的数组，当元素个数增加，数组无法存储时，系统会另个申请一个长度为当前长度1.5倍的数组，然后，把之前的数据拷贝到新建的数组中。

③ ArrayList的Iterator实现

在ArrayList内部首先是定义一个内部类Itr，该内部类实现Iterator接口，如下：

private   class  Itr  implements  Iterator<E> {  
    //do something   
}  

而ArrayList的iterator()方法实现：

public  Iterator<E> iterator() {  
     return   new  Itr();  
}  

所以通过使用ArrayList.iterator()方法返回的是Itr()内部类，所以现在我们需要关心的就是Itr()内部类的实现：

在Itr内部定义了三个int型的变量：cursor、lastRet、expectedModCount。其中cursor表示下一个元素的索引位置，lastRet表示上一个元素的索引位置。

int  cursor;               
int  lastRet = - 1 ;       
int  expectedModCount = modCount; 

从cursor、lastRet定义可以看出，lastRet一直比cursor少一所以hasNext()实现方法异常简单，只需要判断cursor和lastRet是否相等即可。

public   boolean  hasNext() {  
    return  cursor != size;  
}  

对于next()实现其实也是比较简单的，只要返回cursor索引位置处的元素即可，然后修改cursor、lastRet即可，

public  E next() {   
   checkForComodification();  
　 int  i = cursor;     //记录索引位置    
   if  (i >= size)     //如果获取元素大于集合元素个数，则抛出异常   
   throw   new  NoSuchElementException();  
   Object[] elementData = ArrayList.this .elementData;  
   if  (i >= elementData.length)  
       throw   new  ConcurrentModificationException();  
   cursor = i + 1 ;       //cursor + 1   
   return  (E) elementData[lastRet = i];   //减少数据依赖cursor，有利于指令重排序lastRet + 1 且返回cursor处元素   
}  

二：LinkedList

LinkedList是基于链表的数据结构。ArrayList的空间浪费主要体现在在list列表的结尾预留一定的容量空间，而LinkedList的空间花费则体现在它的每一个元素都需要消耗相当的空间。

三：ConcurrentHashMap

jdk1.7中的ConcurrentHashMap是由Segment数组结构和HashEntry数组结构组成。Segment是一种可重入锁ReentrantLock，在ConcurrentHashMap里扮演锁的角色，HashEntry则用于存储键值对数据。一个ConcurrentHashMap里包含一个Segment数组，Segment的结构和HashMap类似，是一种数组和链表结构， 一个Segment里包含一个HashEntry数组，每个HashEntry是一个链表结构的元素， 每个Segment守护者一个HashEntry数组里的元素,当对HashEntry数组的数据进行修改时，必须首先获得它对应的Segment锁。

JDK6,7中的ConcurrentHashmap主要使用Segment来实现减小锁粒度，把HashMap分割成若干个Segment，在put的时候需要锁住Segment，get时候不加锁，使用volatile来保证可见性，当要统计全局时（比如size），首先会尝试多次计算modcount来确定，这几次尝试中，是否有其他线程进行了修改操作，如果没有，则直接返回size。如果有，则需要依次锁住所有的Segment来计算。

jdk7中ConcurrentHashmap中，当长度过长碰撞会很频繁，链表的增改删查操作都会消耗很长的时间，影响性能,所以jdk8 中完全重写了concurrentHashmap,代码量从原来的1000多行变成了 6000多 行，实现上也和原来的分段式存储有很大的区别。

主要设计上的变化有以下几点:

改进一：取消segments字段，直接采用transient volatile HashEntry<K,V> table保存数据，采用table数组元素作为锁，从而实现了对每一行数据进行加锁，进一步减少并发冲突的概率。

改进二：将原先table数组＋单向链表的数据结构，变更为table数组＋单向链表＋红黑树的结构。对于hash表来说，最核心的能力在于将key hash之后能均匀的分布在数组中。如果hash之后散列的很均匀，那么table数组中的每个队列长度主要为0或者1。但实际情况并非总是如此理想，虽然ConcurrentHashMap类默认的加载因子为0.75，但是在数据量过大或者运气不佳的情况下，还是会存在一些队列长度过长的情况，如果还是采用单向列表方式，那么查询某个节点的时间复杂度为O(n)；因此，对于个数超过8(默认值)的列表，jdk1.8中采用了红黑树的结构，那么查询的时间复杂度可以降低到O(logN)，可以改进性能。

 四：Vector & ArrayList 的主要区别 

1） 同步性:Vector是线程安全的，也就是说是同步的 ，而ArrayList 是线程序不安全的，不是同步的。 
2）数据增长:当需要增长时,Vector默认增长为原来一倍 ，而ArrayList却是原来的50%  ，这样,ArrayList就有利于节约内存空间。 
      如果涉及到堆栈，队列等操作，应该考虑用Vector，如果需要快速随机访问元素，应该使用ArrayList 。

【扩展知识】：

1. Hashtable & HashMap 
Hashtable和HashMap在它们的性能方面的比较类似Vector和ArrayList，比如Hashtable的方法是同步的,而HashMap的不是。

2. ArrayList & LinkedList

ArrayList的内部实现是基于内部数组Object[],所以从概念上讲,它更象数组，但LinkedList的内部实现是基于一组连接的记录，所以，它更象一个链表结构，所以，它们在性能上有很大的差别：   
       从上面的分析可知,在ArrayList的前面或中间插入数据时,你必须将其后的所有数据相应的后移,这样必然要花费较多时间，所以,当你的操作是在一列数据的后面添加数据而不是在前面或中间,并且需要随机地访问其中的元素时,使用ArrayList会提供比较好的性能； 而访问链表中的某个元素时,就必须从链表的一端开始沿着连接方向一个一个元素地去查找,直到找到所需的元素为止，所以,当你的操作是在一列数据的前面或中间添加或删除数据，并且按照顺序访问其中的元素时，就应该使用LinkedList了。

五：HashMap与Hashtable

1.  关于HashMap的一些说法：

a)  HashMap实际上是一个“链表散列”的数据结构，即数组和链表的结合体。HashMap的底层结构是一个数组，数组中的每一项是一条链表。

b)  HashMap的实例有两个参数影响其性能： “初始容量” 和 装填因子。

c)  HashMap实现不同步，线程不安全。 HashTable线程安全

d) HashMap中的key-value都是存储在Entry中的。

e)  HashMap可以存null键和null值，不保证元素的顺序恒久不变，它的底层使用的是数组和链表，通过hashCode()方法和equals方法保证键的唯一性

f) 解决冲突主要有三种方法：定址法，拉链法，再散列法。HashMap是采用拉链法解决哈希冲突的。

【注】： 链表法是将相同hash值的对象组成一个链表放在hash值对应的槽位；

用开放定址法解决冲突的做法是：当冲突发生时，使用某种探查(亦称探测)技术在散列表中形成一个探查(测)序列。 沿此序列逐个单元地查找，直到找到给定 的关键字，或者碰到一个开放的地址(即该地址单元为空)为止（若要插入，在探查到开放的地址，则可将待插入的新结点存人该地址单元）。

拉链法解决冲突的做法是： 将所有关键字为同义词的结点链接在同一个单链表中 。若选定的散列表长度为m，则可将散列表定义为一个由m个头指针组成的指针数 组T[0..m-1]。凡是散列地址为i的结点，均插入到以T[i]为头指针的单链表中。T中各分量的初值均应为空指针。在拉链法中，装填因子α可以大于1，但一般均取α≤1。拉链法适合未规定元素的大小。

2.  Hashtable和HashMap的区别：

a) 继承不同。  public class Hashtable extends Dictionary implements Map

public class HashMap extends AbstractMap implements Map

b)  Hashtable中的方法是同步的，而HashMap中的方法在缺省情况下是非同步的。在多线程并发的环境下，可以直接使用Hashtable，但是要使用HashMap的话就要自己增加同步处理了。

c)  Hashtable 中， key 和 value 都不允许出现 null 值。

在 HashMap 中， null 可以作为键，这样的键只有一个；可以有一个或多个键所对应的值为 null 。当 get() 方法返回 null 值时，即可以表示 HashMap 中没有该键，也可以表示该键所对应的值为 null 。因此，在 HashMap 中不能由 get() 方法来判断 HashMap 中是否存在某个键， 而应该用 containsKey() 方法来判断。

d)  两个遍历方式的内部实现上不同。Hashtable、HashMap都使用了Iterator。而由于历史原因，Hashtable还使用了Enumeration的方式 。

e)  哈希值的使用不同，HashTable直接使用对象的hashCode。而HashMap重新计算hash值。

f)  Hashtable和HashMap它们两个内部实现方式的数组的初始大小和扩容的方式。

HashTable中hash数组默认大小是11，增加的方式是old*2+1。

HashMap中hash数组的默认大小是16，而且一定是2的指数。

【注】： HashSet子类依靠hashCode()和equal()方法来区分重复元素。

HashSet内部使用Map保存数据，即将HashSet的数据作为Map的key值保存，这也是HashSet中元素不能重复的原因。而Map中保存key值的,会去判断当前Map中是否含有该Key对象，内部是先通过key的hashCode,确定有相同的hashCode之后，再通过equals方法判断是否相同。