本文轉載自微信公眾號「潛行前行」，作者 cscw。轉載本文請聯系潛行前行公眾號。

沒啥好說的，在座的各位都是靚仔

• List 數組
• Vector 向量
• Stack 棧
• Map 映射字典
• Set 集合
• Queue 隊列
• Deque 雙向隊列

一般隊列的通用方法

1.List 數組

• 元素按進入先后有序保存，可重復
• List有兩種底層實現，一種是數組，一種是鏈表，而鏈表的實現繼承了 Collection。數組和集合的區別：
  • 數組大小是固定，集合是可變的
  • 數組的元素可以基本類型也可以是引用類型，而集合只能是引用類型

ArrayList

• ArrayList底層是使用一個可動態擴容的數組，與普通數組的區別就是它是沒有固定大小的限制，可以添加或刪除元素
• 它的特點就是讀速度、更新快，增刪慢;內存相鄰，根據Index讀取的時間復雜度是O(1);可以存儲重復元素，但線程不安全
• ArrayList 的擴容機制

//ArrayList openJDK 13 
private void add(E e, Object[] elementData, int s) { 
    if (s == elementData.length) //放不下了 
        elementData = grow(); // 擴容 
    elementData[s] = e; 
    size = s + 1; 
} 
private Object[] grow() { 
    return grow(size + 1); 
} 
private Object[] grow(int minCapacity) { 
    int oldCapacity = elementData.length; 
    if (oldCapacity > 0 || elementData != DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) { 
        int newCapacity = ArraysSupport.newLength(oldCapacity, 
                minCapacity - oldCapacity,  // minCapacity - oldCapacity == 1 
                oldCapacity >> 1 ); // oldCapacity == 1/2 oldCapacity 
        return elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity); 
    } else { 
        return elementData = new Object[Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity)]; 
    } 
} 

• 如果當前元素放不下，則擴容至 1.5 倍，且大于等于 1

// ArraysSupport.newLength 
public static int newLength(int oldLength, int minGrowth, int prefGrowth) { 
    //prefGrowth 是 oldLength 的 1/2，minGrowth 是 1。因此 newLength = 1.5 oldLength 
    int newLength = Math.max(minGrowth, prefGrowth) + oldLength; 
    if (newLength - MAX_ARRAY_LENGTH <= 0) { // MAX_ARRAY_LENGTH = Integer.MAX_VALUE - 8 
        return newLength; 
    } 
    return hugeLength(oldLength, minGrowth); 
} 

LinkedList

• LinkedList的節點并不是存儲真實的數據，而是存下數據的引用對象，而且節點之間使用引用相關聯
• LinkedList實現了Queue、Deque接口，可作為隊列使用;查找慢，增刪快，可以存儲重復元素，但線程不安全
• 使用 LinkedList 實現LRU

public static class LRU<T> { 
    //默認的緩存大小 
    private  int CAPACITY = 0; 
    //引用一個雙向鏈接表 
    private LinkedList<T> list; 
    //構造函數 
    public LRU(int capacity) { 
        this.CAPACITY = capacity; 
        list = new LinkedList(); 
    } 
    //添加一個元素 
    public synchronized void put(T object) { 
        if (list != null && list.contains(object)) { 
            list.remove(object); 
        } 
        removeLeastVisitElement(); 
        list.addFirst(object); 
    } 
    //移除最近訪問次數最少的元素 
    private void removeLeastVisitElement() { 
        int size = list.size(); 
        //注意，這兒必須得是CAPACITY - 1否則所獲的size比原來大1 
        if (size > (CAPACITY - 1)) { 
            Object object = list.removeLast(); 
        } 
    } 
    //獲取第N個索引下面的元素 
    public  T get(int index) { 
        return list.get(index); 
    } 
} 

• LinkedList 的 API

public E getFirst() //獲取第一個元素 
public E getLast()  //獲取最后一個元素 
public E removeFirst() // 移除第一個元素，并返回 
public E removeLast() // 移除最后一個元素，并返回 
public void addFirst(E e) //加入頭部 
public void addLast(E e)  //加入尾部 
public void add(E e) //加入尾部 
public boolean contains(Object o) //是否包含 元素 o 
public E peek() //獲取頭部第一個元素 
public E element()  // 獲取頭部第一個元素,不存在則報錯 
public E poll() //獲取頭部第一個元素，并移除 
public boolean offer(E e) // 調用 add(E e) 
public boolean offerFirst(E e) // 調用 addFirst 
public boolean offerLast(E e) // 調用 addLast 
public void push(E e) //在頭部壓入一個元素 
public E pop()  //彈出第一個元素，并移除。不存在則報錯 

• ArrayList 和 LinkedList 使用場景
  • 頻繁訪問列表中的某一個元素，或者需要在列表末尾進行添加和刪除元素操作，用ArrayList
  • 頻繁的在列表開頭、中間、末尾等位置進行添加和刪除元素操作，用LinkedList

Iterator 和 fast-fail、fail-safe機制

• Java Iterator(迭代器)不是一個集合，它是一種用于訪問集合的方法，可用于迭代 List 和 Set 等集合，主要有hashNext()，next()，remove()三種方法
• fail-fast 是Java集合(Collection)的一種錯誤機制。當多個線程對同一個集合進行修改結構操作，使用集合的迭代器iterator，會首先檢測是否有對集合的并發修改，進而產生ConcurrentModificationException 異常提示
• fail-safe：保證在對任何集合結構的修改操作都基于 《復制-修改》 進行的，即先copy一個新的集合對象，然后對新的集合對象進行修改，最后將新的集合對象替換掉老的集合對象(老的集合對象的地址指向新的集合對象)。java.util.concurrent包下采用的是fail-safe機制。
  • 缺點1-對集合的復制copy會產生大量的對象，造成內存空間的浪費。
  • 缺點2-無法保證集合迭代過程中獲取的集合數據是最新的內容

CopyOnWriteArrayList

• CopyOnWriteArrayList 的線程安全：CopyOnWriteArrayList 在寫的時候會加鎖，為了保證寫安全，會在寫操作時復制一個新數組來操作，然后覆蓋舊的數組;不會影響讀的性能

public class CopyOnWriteArrayList<E> 
    implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable { 
    //可重入鎖 
    final transient ReentrantLock lock = new ReentrantLock(); 
    //數組，僅通過get和set方法操作 
    private transient volatile Object[] array;  
    .... 
    public boolean add(E e) { 
        final ReentrantLock lock = this.lock; 
        lock.lock(); 
        try { 
            Object[] elements = getArray();//拿到當前數組 
            int len = elements.length;//獲得長度 
            //拷貝當前數組 
            Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1); 
            newElements[len] = e; 
            setArray(newElements); //調用set方法將新數組設置為當前數組 
            return true; 
        } finally { 
            lock.unlock();//解鎖 
        } 
    } 

• CopyOnWriteArrayList 的缺點
  • CopyOnWrite 在進行寫操作的時候，內存里會同時駐扎兩個對象的內存，導致內存的浪費
  • CopyOnWrite 容器只能保證數據的最終一致性，不能保證數據的實時一致性。如果你希望寫入的的數據，馬上能讀到，請不要使用CopyOnWrite容器，沒有阻塞等待的概念
• CopyOnWriteArrayList 和 Collections.synchronizedList 區別
  • CopyOnWriteArrayList 的寫操作性能較差，而多線程的讀操作性能較好
  • Collections.synchronizedList的寫操作性能比CopyOnWriteArrayList在多線程操作的情況下要好很多，而讀操作因為是采用了 synchronized關鍵字的方式，其讀操作性能并不如CopyOnWriteArrayList

線程安全的List

• A:使用 Vector;B:使用 Collections.synchronized() 返回線程安全的 List;C:使用 CopyOnWriteArrayList

List的API示例

boolean contains(Object o) // 是否包含 o 
boolean isEmpty(); // 是否為空 
int size(); //集合元素 
Iterator<E> iterator(); // 返回迭代器 
Object[] toArray(); // 轉為 Object數組 
<T> T[] toArray(T[] a); // 轉為具體類型數組 
boolean add(E e); // 加入尾部 
boolean remove(Object o); // 移除 o 
boolean containsAll(Collection<?> c); //是否報考 集合 c 
boolean addAll(Collection<? extends E> c);// 合并 c  
boolean retainAll(Collection<?> c);//保留只存在集合 c 的元素 
void clear(); // 清除集合元素 
void sort(Comparator<? super E> c) //根據 Comparator 排序 
E get(int index); // 根據下標獲取 元素 
E set(int index, E element); // 設置第 index 的元素 
E remove(int index); // 移除 第 index 的元素 
<E> List<E> of(E e1.....) // jdk 9 
List<E> copyOf(Collection<? extends E> coll)  // 復制 

2.Vector(向量)

ArrayList 和 Vector、LinkedList 的區別

• Vector 相當于是 ArrayList 線程安全的翻版
• Vector 繼承實現List 特點: 底層數據結構是數組，查詢快，線程安全

Vector 的API示例

boolean synchronized contains(Object o); 
boolean synchronized isEmpty(); 
boolean synchronized containsAll(Collection<?> c); 
boolean addAll(Collection<? extends E> c); 
public synchronized boolean add(E e) 
public synchronized E get(int index); 
public synchronized E set(int index, E element); 
public synchronized E firstElement() 
public synchronized void removeElementAt(int index) 
public synchronized E lastElement() 
public synchronized void setElementAt(E obj, int index) 
public synchronized E remove(int index) 
public void clear() 
Iterator<E> iterator(); 

3.Stack(棧)

• Stack 是 Vector提供的一個子類，用于模擬"棧"這種數據結構(LIFO后進先出)
• 線程安全，允許 null 值

Stack 的API示例

public E push(E item) //推入棧頂 
public synchronized E pop() // 彈出棧頂元素，不存在則報錯 
public synchronized E peek() // 獲取棧頂元素，不移除 
public boolean empty()  // 棧是否為空 
public synchronized int search(Object o) // 搜索元素  

4.Map

• Map 用于保存具有映射關系的數據，Map里保存著兩種映射的數據：key和value，它們都可以使任何引用類型的數據，但key不能重復。所以通過指定的key就可以取出對應的value
• 請注意!!!Map 沒有繼承 Collection 接口

TreeMap(1.8JDK)

• 繼承 AbstractMap，TreeMap 是基于紅黑樹實現，可保證在log(n)時間復雜度內完成 containsKey，get，put 和 remove 操作，效率很高。(紅黑樹的原理這里不展開講，后面會專門寫一篇)
• 另一方面，由于 TreeMap 基于紅黑樹實現，因此 TreeMap 的鍵是有序的

HashMap

• HashMap 繼承AbstractMap類實現了Map，是一個散列表，它存儲的內容是鍵值對(key-value)映射。HashMap 實現了 Map 接口，根據鍵的 HashCode 值存儲數據，具有很快的訪問速度，最多允許一條記錄的鍵為 null，不支持線程同步。HashMap 是無序的，即不會記錄插入的順序
• HashMap如何處理hash沖突，hash沖突的幾種解決方法
  • 鏈地址法-如果存在 hash 碰撞，則創建一鏈表存儲相同的元素
  • 開放定址法容易導致 hash 碰撞，查詢慢
  • 線性探查在散列的時候，如果當前計算出的位置已經被存儲，那么就順序的向后查找，知道找到空位置或則是所有位置均不為空失敗
  • 二次探查使用一個輔助散列函數，使得后續的探查位置在前一個探查位置上加上一個偏移量，該偏移量以二次方的形式依賴于探查號i。二次探查的散列函數形式為：h(k,i)=(h'(k,i)+c1*i + c2 * i^2) mod m
  • 雙重散列使用兩個輔助散列函數h1和h2，初始的散列位置是h1(k)，后續的散列位置在此基礎上增加一個偏移量h2(k)*i mod m
  • 開放定址法
  • 鏈地址法
• HashMap 底層實現是數組+鏈表+紅黑樹?？諈⒌腍ashMap初始容量是16，默認加載因子為0.75。取值0.75是因為 0.5 容易浪費空間，取值 1 則需要填滿每一個桶，實際情況很難達到，會產生大量的哈希碰撞。因此取中間值
• HashMap 的容量一般是 2 的冪次方，可直接使用“位與”計算 hash 值，相對取模計算 hash 快

Hashtable

• 繼承于Dictionary，現在基本已被淘汰
• HashTable的操作幾乎和HashMap一致，主要的區別在于HashTable為了實現多線程安全，在幾乎所有的方法上都加上了synchronized鎖，而加鎖的結果就是HashTable操作的效率十分低下
• HashMap允許有一個鍵為null，允許多個值為null;但HashTable不允許鍵或值為null
• Hash映射：HashMap的hash算法通過非常規設計，將底層table長度設計為2的冪，使用位與運算代替取模運算，減少運算消耗;而HashTable的hash算法首先使得hash值小于整型數最大值，再通過取模進行散射運算

LinkedHashMap

• LinkedHashMap的元素存取過程基本與HashMap基本類似，只是在細節實現上稍有不同。當然，這是由LinkedHashMap本身的特性所決定的，因為它額外維護了一個雙向鏈表用于保持迭代順序。此外，LinkedHashMap可以很好的支持LRU算法。HashMap和雙向鏈表合二為一即是LinkedHashMap

WeakHashMap

• WeakHashMap 也是一個散列表，它存儲的內容也是鍵值對(key-value)映射，而且鍵和值都可以是 null
• WeakHashMap的鍵是“弱鍵”。在 WeakHashMap 中，當某個 key 不再被強引用使用時，會被從WeakHashMap中被 JVM 自動移除，然后它對應的鍵值對也會被從WeakHashMap中移除。?JAVA引用類型和ThreadLocal

ConcurrentHashMap(1.8JDK)

• ConcurrentHashMap 是 HashMap 的多線程安全版本。它使用了細粒度鎖 和 cas 提高了在多線程環境的安全性和高并發
• 底層數據結構是 數組 + 鏈表/紅黑樹(后面專門寫一篇介紹)

ConcurrentSkipListMap 了解一波

• ConcurrentSkipListMap 則是基于跳躍鏈表的實現的 map，使用了 cas 技術實現線程安全性，高并發
• ConcurrentSkipListMap 相比 ConcurrentHashMap 的優點
  • ConcurrentSkipListMap 的key是有序的。
  • ConcurrentSkipListMap 支持更高的并發。ConcurrentSkipListMap的存取時間是log(N)，和線程數幾乎無關。也就是說在數據量一定的情況下，并發的線程越多，ConcurrentSkipListMap 越能體現出它的優勢

NavigableMap 和 ConcurrentNavigableMap 操作 key 值的范圍區間

• TreeMap 實現了 NavigableMap 。ConcurrentNavigableMap 高并發線程安全版的 TreeMap
• NavigableMap 提供了針對給定搜索目標返回最接近匹配項的導航方法。直接看API

K lowerKey(K key)  // 找到第一個比指定的key小的值 
K floorKey(K key)  // 找到第一個比指定的key小于或等于的key 
K ceilingKey(K key) // 找到第一個大于或等于指定key的值 
K higherKey(K key) // 找到第一個大于指定key的值 
Map.Entry<K,V> firstEntry() // 獲取最小值 
Map.Entry<K,V> lastEntry() // 獲取最大值 
Map.Entry<K,V> pollFirstEntry() // 刪除最小的元素 
Map.Entry<K,V> pollLastEntry() // 刪除最大的元素 
NavigableMap<K,V> descendingMap() //返回一個倒序的Map  
// 返回值小于 toKey 的 NavigableMap 
NavigableMap<K,V> headMap(K toKey, boolean inclusive) 
// 返回值大于 fromKey 的 NavigableMap 
NavigableMap<K,V> tailMap(K fromKey, boolean inclusive) 
// 返回值小于 toKey 大于 的 fromKey NavigableMap 
NavigableMap<K,V> subMap(K fromKey, boolean fromInclusive, K toKey,   boolean toInclusive) 

5.Set(集合)

• Set特點：元素無放入順序，元素不可重復，如果加入重復元素，會保留最先加入的對象。存取速度快

Set 的幾種實現子類和各自特點

• TreeSet：底層數據結構采用二叉樹來實現，元素唯一且已經排好序;唯一性同樣需要重寫 hashCode 和 equals()方法，二叉樹結構保證了元素的有序
  • 根據構造方法不同，分為自然排序(無參構造)和比較器排序(有參構造)，自然排序要求元素必須實現Compareable接口，并重寫里面的compareTo()方法
• HashSet：是哈希表實現的，HashSet中的數據是無序的，可以放入 null，但只能放入一個null，兩者中的值都不能重復，就如數據庫中唯一約束
  • HashSet 是基于 HashMap 算法實現的，其性能通常都優于TreeSet
  • 為快速查找而設計的Set，我們通常都會用到HashSet，若需要排序的功能時，才使用TreeSet
• LinkedHashSet：底層數據結構采用鏈表和哈希表共同實現，鏈表保證了元素的順序與存儲順序一致，哈希表保證了元素的唯一性，效率高。但線程不安全

ConcurrentSkipListSet

• 基于 ConcurrentSkipListMap 實現

CopyOnWriteArraySet

• 基于 CopyOnWriteArrayList 實現

BitSet

• BitSet是位操作的對象，值只有 0 或 1 即false和true，內部維護了一個long數組，初始只有一個long，所以BitSet最小的size是64，當隨著存儲的元素越來越多，BitSet內部會動態擴充，最終內部是由N個long來存儲
• 如統計40億個數據中沒有出現的數據，將40億個不同數據進行排序等。\
• 現在有1千萬個隨機數，隨機數的范圍在1到1億之間?，F在要求寫出一種算法，將1到1億之間沒有在隨機數中的數求出來

void and(BitSet set) // 兩個BitSet 做與操作，結果并存入當前 BitSet 
void andNot(BitSet set) //  兩個BitSet 與非操作 
void flip(int index) // 反轉某一個指定 index  
boolean intersects(BitSet bitSet) // 是否有交集 
int cardinality() //返回 true/1 的個數 
void clear() // 重置 
void clear(int startIndex, int endIndex) // startIndex~endIndex 重置 
int nextSetBit(int startIndex) //檢索在startIndex之后出現為1的第一位的索引 
int nextClearBit(int startIndex) //檢索在startIndex之后出現為0的第一位的索引 

6.Queue(隊列)

• Queue的概念 隊列是一種特殊的線性表，只允許元素從隊列一端入隊，而另一端出隊(獲取元素)，就像我們平時排隊結算一樣(懂文明講禮貌不插隊)。Queue 的數據結構和 List 一樣，可以基于數組，鏈表實現，隊列通常都是一端進(offer)，另一端出(poll)，有序性

PriorityQueue

• PriorityQueue是按優先級排序的隊列，也就是說 vip 可以插隊。優先隊列要求使用 Java Comparable 和 Comparator 接口給對象排序，并且在排序時會按照優先級處理其中的元素
• PriorityBlockingQueue 是線程安全的PriorityQueue

BlockingQueue

• BlockingQueue很好的解決了多線程中，如何高效安全“傳輸”數據的問題。通過這些高效并且線程安全的隊列類，為我們快速搭建高質量的多線程程序帶來極大的便利。常用于線程的任務隊列

DelayQueue

• DelayQueue是一個沒有邊界BlockingQueue實現，加入元素必須實現Delayed接口。當生產者線程調用put之類的方法加入元素時，會觸發 Delayed 接口中的compareTo方法進行排序
• 消費者線程查看隊列頭部的元素，注意是查看不是取出。然后調用元素的getDelay方法，如果此方法返回的值小0或者等于0，則消費者線程會從隊列中取出此元素，并進行處理。如果getDelay方法返回的值大于0，則消費者線程阻塞到第一元素過期

Queue 的 API

boolean add(E e); //加入隊列尾部 
boolean offer(E e); // 加入隊列尾部，并返回結果 
E remove(); //移除頭部元素 
E poll();  // 獲取頭部元素，并移除 
E element(); // 獲取頭部元素，不存在則報錯 
E peek(); // 獲取頭部元素，不移除 

7.Deque(雙向隊列)

• Deque接口代表一個"雙端隊列"，雙端隊列可以同時從兩端來添加、刪除元素，因此Deque的實現類既可以當成隊列使用、也可以當成棧使用
• Deque 的子類 LinkedList，ArrayDeque，LinkedBlockingDeque

Deque的 API

void addFirst(E e); //加入頭部 
void addLast(E e);  //加入尾部 
boolean offerFirst(E e); //加入頭部，并返回結果 
boolean offerLast(E e); //加入尾部，并返回結果 
E removeFirst(); // 移除第一個元素 
E removeLast(); // 移除最后一個元素 
E getFirst(); //獲取第一個元素,不存在則報錯 
E getLast();  //獲取最后一個元素,不存在則報錯 
E pollFirst(); //獲取第一個元素,并移除 
E pollLast(); //獲取最后一個元素,并移除 
E peekFirst(); //獲取第一個元素 
E peekLast(); // 獲取最后一個元素 
void push(E e); //加入頭部 
E pop(); //彈出頭部元素 

參考文章 

java集合超詳解