Java集合系列（一）：List、Map、Set的基本实现原理总结
目录
一、主要内容
1.List
ArrayList
LinkedList
Vector
Vector与ArrayList的区别
Collections.SynchronizedList和Vector的区别
同步代码块和同步方法的区别
2.Map
HashMap
LinkedHashMap
HashTable
ConcurrentHashMap
3.Set
HashSet
LinkedHashSet
二、参考文献
一、主要内容
1.List
ArrayList
1）ArrayList是List接口的可变数组非同步实现，并允许包括null在内的所有元素。
2）底层使用数组实现
3）该集合是可变长度数组，数组扩容时，会将老数组中的元素重新拷贝一份到新的数组中，每次数组容量增长大约是其容量的1.5倍，这种操作的代价很高。
4）采用了Fail-Fast机制（通过记录modCount参数来标识多个线程操作），面对并发的修改时，迭代器很快就会完全失败，而不是冒着在将来某个不确定时间发生任意不确定行为的风险
5）remove方法会让下标到数组末尾的元素向前移动一个单位，并把最后一位的值置空，方便GC
LinkedList
1）LinkedList是List接口的双向链表非同步实现，并允许包括null在内的所有元素。
2）底层的数据结构是基于双向链表的，该数据结构我们称为节点
3）双向链表节点对应的类Node的实例，Node中包含成员变量：prev，next，item。其中，prev是该节点的上一个节点，next是该节点的下一个节点，item是该节点所包含的值。
4）（没找到对应方法，indexof方法实现是从头开始循环判断元素）它的查找是分两半查找，先判断index是在链表的哪一半，然后再去对应区域查找，这样最多只要遍历链表的一半节点即可找到
Vector
1）动态数组实现的List，跟ArrayList一样，其容量能自动增长
2）JDK1.0引入了，它的很多实现方法都加入了同步语句，因此是线程安全的（在操作数据的方法声明时加synchronized关键字：同步方法，在内部的迭代器操作数据的方法内部的代码块加Vector的synchronized的同步对象锁：同步代码块）
3）适用于快速访问和修改，不适用随机插入和删除（底层实现是对象数组的原因）
4）初始容量大小为10，扩容由初始容量和capacityIncrement共同决定
5）元素允许为null
6）现在已经基本不再使用，如果不需要线程安全的实现，推荐使用ArrayList代替Vector
Vector与ArrayList的区别
最大的是Vector是线程安全的，而ArrayList不是线程安全的。
1）ArrayList不可以设置扩展的容量，默认1.5倍；Vector可以设置扩展的容量，如果没有设置，默认2倍
2）ArrayList的无参构造方法中初始容量为0（初次调用add()会更新为10）；Vector的无参构造方法中初始容量为10
3）Vector线程安全，ArrayList线程不安全
原文：https://blog.csdn.net/lipinganq/article/details/78043065
Collections.SynchronizedList和Vector的区别
1) 如果使用add方法，那么他们的扩容机制不一样。
2) SynchronizedList可以指定锁定的对象。
（Collections.SynchronizedList只是使用同步代码块包裹了ArrayList的方法，而ArrayList和Vector中同名方法的方法体内容并无太大差异，所以在锁定范围和锁的作用域上两者并无却别。 在锁定的对象区别上，SynchronizedList的同步代码块锁定的是mutex对象，Vector锁定的是this对象。那么mutex对象是SynchronizedList在使用构造函数时可以传入一个Object,如果在调用的时候显示的传入一个对象，那么锁定的就是用户传入的对象。如果没有指定，那么锁定的也是this对象。）
同步代码块和同步方法的区别
1) 同步代码块在锁定的范围上可能比同步方法要小，一般来说锁的范围大小和性能是成反比的。
2) 同步块可以更加精确的控制锁的作用域（锁的作用域就是从锁被获取到其被释放的时间），同步方法的锁的作用域就是整个方法。
3) 静态代码块可以选择对哪个对象加锁，但是静态方法只能给this对象加锁。
静态变量与静态代码块加载时间：当类加载器将类加载到JVM中的时候就会创建静态变量，这跟对象是否创建无关。静态变量加载的时候就会分配内存空间。静态代码块的代码只会在类第一次初始化的时候执行一次。
2.Map
HashMap
1)HashMap是基于哈希表的Map接口的非同步实现，允许使用null值和null键，但不保证映射的顺序。
2)底层使用数组实现（Node<K,V>数组），数组中每一项是个单向链表，即数组和链表的结合体；
当链表长度大于一定阈值时，链表转换为红黑树，这样减少链表查询时间。
3)HashMap在底层将key-value当成一个整体进行处理，这个整体就是一个Node对象。HashMap底层采用一个Node[]数组来保存所有的key-value对，
当需要存储一个Node对象时，会根据key的hash算法来决定其在数组中的存储位置，在根据equals方法决定其在该数组位置上的链表中的存储位置；
当需要取出一个Node时，也会根据key的hash算法找到其在数组中的存储位置，再根据equals方法从该位置上的链表中取出该Node。
4)HashMap进行数组扩容需要重新计算扩容后每个元素在数组中的位置，很耗性能
5)采用了Fail-Fast机制，通过一个modCount值记录修改次数，对HashMap内容的修改都将增加这个值。迭代器初始化过程中会将这个值赋给迭代器的expectedModCount，在迭代过程中，判断modCount跟expectedModCount是否相等，如果不相等就表示已经有其他线程修改了Map，马上抛出异常
HashMap结构：
相关参考：
Java中HashMap底层实现原理(JDK1.8)源码分析：
https://blog.csdn.net/tuke_tuke/article/details/51588156
LinkedHashMap
1）LinkedHashMap继承于HashMap，底层使用哈希表和双向链表来保存所有元素，并且它是非同步，允许使用null值和null键。
2）基本操作与父类HashMap相似，通过重写HashMap相关方法，重新定义了数组中保存的元素Entry，来实现自己的链接列表特性。
该Entry除了保存当前对象的引用外，还保存了其上一个元素before和下一个元素after的引用，从而构成了双向链接列表，用于记录前一个插入的元素和记录后一个插入的元素
相关参考：https://www.cnblogs.com/whgk/p/6169622.html
HashTable
1)Hashtable是基于哈希表的Map接口的同步实现，不允许使用null值和null键
2)底层使用数组实现，数组中每一项是个单链表，即数组和链表的结合体
3)Hashtable在底层将key-value当成一个整体进行处理，这个整体就是一个Entry对象。Hashtable底层采用一个Entry[]数组来保存所有的key-value对，
当需要存储一个Entry对象时，会根据key的hash算法来决定其在数组中的存储位置，在根据equals方法决定其在该数组位置上的链表中的存储位置；
当需要取出一个Entry时，也会根据key的hash算法找到其在数组中的存储位置，再根据equals方法从该位置上的链表中取出该Entry。
4)synchronized是针对整张Hash表的，即每次锁住整张表让线程独占（使用同步方法）
ConcurrentHashMap
1）ConcurrentHashMap允许多个修改操作并发进行，其关键在于使用了锁分离技术。
2）它使用了多个锁来控制对hash表的不同段进行的修改，每个段其实就是一个小的hashtable，它们有自己的锁。只要多个并发发生在不同的段上，它们就可以并发进行。
3）ConcurrentHashMap在底层将key-value当成一个整体进行处理，这个整体就是一个Entry对象。
4）与HashMap不同的是，ConcurrentHashMap使用多个子Hash表，也就是段(Segment)，1.8中改用CAS+synchronized保证并发安全性，将存放数据的 HashEntry 改为 Node
5）ConcurrentHashMap完全允许多个读操作并发进行，读操作并不需要加锁。如果使用传统的技术，如HashMap中的实现，如果允许可以在hash链的中间添加或删除元素，读操作不加锁将得到不一致的数据。ConcurrentHashMap实现技术是保证HashEntry几乎是不可变的。
6）ConCurrentHashMap 在 jdk1.8 中主要做了两方面的改进。
（1） 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。
（2） 把Table数组＋单向链表的数据结构 变成为 Table数组 ＋ 单向链表 ＋ 红黑树的结构。
注： 当链表长度超过8以后，单向链表变成了红黑树； 在哈希表扩容时，如果发现链表长度小于 6，则会由红黑树重新退化为链表。
相关参考：
[1] 深入学习Java集合之ConcurrentHashMap的实现原理（jdk1.7与1.8）
https://blog.csdn.net/J080624/article/details/86838129
[2] ConCurrentHashMap 在 jdk1.8
https://blog.csdn.net/bigtree_3721/article/details/84255655
3.Set
HashSet
1）HashSet由哈希表(实际上是一个HashMap实例)支持，不保证set的迭代顺序，并允许使用null元素。
2）基于HashMap实现，API也是对HashMap的行为进行了封装，可参考HashMap
相关参考：深入Java集合学习系列：HashSet的实现原理:
https://zhangshixi.iteye.com/blog/673143
LinkedHashSet
继承与HashSet、又基于LinkedHashMap来实现的（主要通过传递参数调用父类的构造函数实现）。LinkedHashSet底层使用LinkedHashMap来保存所有元素，它继承与HashSet，其所有的方法操作上又与HashSet相同。源码内部主要是四个不同的构造函数。
相关参考：深入Java集合学习系列：LinkedHashSet的实现原理:
https://zhangshixi.iteye.com/blog/673319
二、参考文献
[1] List、set、Map的底层实现原理（文章未包含的其余连接出处）：
https://blog.csdn.net/xzp_12345/article/details/79251174
[2] Vector原理讲解：https://blog.csdn.net/lipinganq/article/details/78043065
[3] Java中HashMap底层实现原理(JDK1.8)源码分析：
https://blog.csdn.net/tuke_tuke/article/details/51588156
[4] LinkedHashMap图解：https://www.cnblogs.com/whgk/p/6169622.html
[5] 深入学习Java集合之ConcurrentHashMap的实现原理（jdk1.7与1.8）:
https://blog.csdn.net/J080624/article/details/86838129
[6] ConCurrentHashMap 在 jdk1.8:
https://blog.csdn.net/bigtree_3721/article/details/84255655
[7] 深入Java集合学习系列： HashSet的实现原理:
https://zhangshixi.iteye.com/blog/673143
[8] 深入Java集合学习系列：LinkedHashSet的实现原理:
https://zhangshixi.iteye.com/blog/673319
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