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首先了解下Java提供的集合類的頂級(jí)接口，主要存在兩個(gè)體系：Collection接口和Map接口

Collection接口

Collection

Collection是最基本的集合接口，Collection接口抽象的定義了集合的基本操作：

public interface Collection<E> extends Iterable<E> {
    // Query Operations

    int size();

    boolean isEmpty();

    boolean contains(Object o);

    Iterator<E> iterator();

    Object[] toArray();

    <T> T[] toArray(T[] a);

    // Modification Operations
    boolean add(E e);

    boolean remove(Object o);

    // Bulk Operations
    boolean containsAll(Collection<?> c);

    boolean addAll(Collection<? extends E> c);

    boolean removeAll(Collection<?> c);

    /**
     * @since 1.8
     */
    default boolean removeIf(Predicate<? super E> filter) {
        Objects.requireNonNull(filter);
        boolean removed = false;
        final Iterator<E> each = iterator();
        while (each.hasNext()) {
            if (filter.test(each.next())) {
                each.remove();
                removed = true;
            }
        }
        return removed;
    }
    ...
}

Map接口

Map接口儲(chǔ)存一組成對(duì)的鍵-值對(duì)象,提供key(鍵)到value(值)的映射,Map中的key不要求有序,不允許重復(fù).value同樣不要求有序,但可以重復(fù)。

public interface Map<K,V> {
    // Query Operations

    int size();

    boolean isEmpty();

    boolean containsKey(Object key);

    boolean containsValue(Object value);

    V get(Object key);

    // Modification Operations
    V put(K key, V value);

    V remove(Object key);

    // Bulk Operations
    void putAll(Map<? extends K, ? extends V> m);

    void clear();

    // Views
    Set<K> keySet();

    Collection<V> values();

    Set<Map.Entry<K, V>> entrySet();

    ...

    boolean equals(Object o);

    int hashCode();

    ...
}

Collection接口衍生出來的常用集合類：

List類集合

List接口繼承自Collection，用于定義以列表形式存儲(chǔ)的集合，List接口為集合中的每個(gè)對(duì)象分配了一個(gè)索引(index)，標(biāo)記該對(duì)象在List中的位置，并可以通過index定位到指定位置的對(duì)象。

List在Collection基礎(chǔ)上增加的主要方法包括：

get(int) - 返回指定index位置上的對(duì)象
add(E)/add(int, E) - 在List末尾/指定index位置上插入一個(gè)對(duì)象
set(int, E) - 替換置于List指定index位置上的對(duì)象
indexOf(Object) - 返回指定對(duì)象在List中的index位置
subList(int,int) - 返回指定起始index到終止index的子List對(duì)象

List接口的常用實(shí)現(xiàn)類：

ArrayList

ArrayList基于數(shù)組來實(shí)現(xiàn)集合的功能，其內(nèi)部維護(hù)了一個(gè)可變長(zhǎng)的對(duì)象數(shù)組，集合內(nèi)所有對(duì)象存儲(chǔ)于這個(gè)數(shù)組中，并實(shí)現(xiàn)該數(shù)組長(zhǎng)度的動(dòng)態(tài)伸縮.

ArrayList使用數(shù)組拷貝來實(shí)現(xiàn)指定位置的插入和刪除：

插入

ArrayList-insert
刪除

ArrayList-del

LinkedList

LinkedList基于鏈表來實(shí)現(xiàn)集合的功能，其實(shí)現(xiàn)了靜態(tài)類Node，集合中的每個(gè)對(duì)象都由一個(gè)Node保存，每個(gè)Node都擁有到自己的前一個(gè)和后一個(gè)Node的引用.

LinkedList追加元素的過程示例：

LinkedList-insert

ArrayList vs LinkedList

ArrayList的隨機(jī)訪問更高，基于數(shù)組實(shí)現(xiàn)的ArrayList可直接定位到目標(biāo)對(duì)象，而LinkedList需要從頭Node或尾Node開始向后/向前遍歷若干次才能定位到目標(biāo)對(duì)象
LinkedList在頭/尾節(jié)點(diǎn)執(zhí)行插入/刪除操作的效率比ArrayList要高
由于ArrayList每次擴(kuò)容的容量是當(dāng)前的1.5倍，所以LinkedList所占的內(nèi)存空間要更小一些
二者的遍歷效率接近，但需要注意，遍歷LinkedList時(shí)應(yīng)用iterator方式，不要用get(int)方式，否則效率會(huì)很低

Vector

Vector和ArrayList很像，都是基于數(shù)組實(shí)現(xiàn)的集合，它和ArrayList的主要區(qū)別在于

Vector是線程安全的，而ArrayList不是
由于Vector中的方法基本都是synchronized的，其性能低于ArrayList
Vector可以定義數(shù)組長(zhǎng)度擴(kuò)容的因子，ArrayList不能

CopyOnWriteArrayList

與 Vector一樣，CopyOnWriteArrayList也可以認(rèn)為是ArrayList的線程安全版，不同之處在于 CopyOnWriteArrayList在寫操作時(shí)會(huì)先復(fù)制出一個(gè)副本，在新副本上執(zhí)行寫操作，然后再修改引用。這種機(jī)制讓 CopyOnWriteArrayList可以對(duì)讀操作不加鎖，這就使CopyOnWriteArrayList的讀效率遠(yuǎn)高于Vector。 CopyOnWriteArrayList的理念比較類似讀寫分離，適合讀多寫少的多線程場(chǎng)景。但要注意，CopyOnWriteArrayList只能保證數(shù)據(jù)的最終一致性，并不能保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)一致性，如果一個(gè)寫操作正在進(jìn)行中且并未完成，此時(shí)的讀操作無法保證能讀到這個(gè)寫操作的結(jié)果。

二者均是線程安全的、基于數(shù)組實(shí)現(xiàn)的List
Vector是【絕對(duì)】線程安全的，CopyOnWriteArrayList只能保證讀線程會(huì)讀到【已完成】的寫結(jié)果，但無法像Vector一樣實(shí)現(xiàn)讀操作的【等待寫操作完成后再讀最新值】的能力
CopyOnWriteArrayList讀性能遠(yuǎn)高于Vector，并發(fā)線程越多優(yōu)勢(shì)越明顯
CopyOnWriteArrayList占用更多的內(nèi)存空間

Map類集合

Map將key和value封裝至一個(gè)叫做Entry的對(duì)象中，Map中存儲(chǔ)的元素實(shí)際是Entry。只有在keySet()和values()方法被調(diào)用時(shí)，Map才會(huì)將keySet和values對(duì)象實(shí)例化。

HashMap

HashMap將Entry對(duì)象存儲(chǔ)在一個(gè)數(shù)組中，并通過哈希表來實(shí)現(xiàn)對(duì)Entry的快速訪問：

HashMap

由每個(gè)Entry中的key的哈希值決定該Entry在數(shù)組中的位置。以這種特性能夠?qū)崿F(xiàn)通過key快速查找到Entry，從而獲得該key對(duì)應(yīng)的value。在不發(fā)生哈希沖突的前提下，查找的時(shí)間復(fù)雜度是O(1)。
如果兩個(gè)不同的key計(jì)算出的index是一樣的，就會(huì)發(fā)生兩個(gè)不同的key都對(duì)應(yīng)到數(shù)組中同一個(gè)位置的情況，也就是所謂的哈希沖突。HashMap處理哈希沖突的方法是拉鏈法，也就是說數(shù)組中每個(gè)位置保存的實(shí)際是一個(gè)Entry鏈表，鏈表中每個(gè)Entry都擁有指向鏈表中后一個(gè)Entry的引用。在發(fā)生哈希沖突時(shí)，將沖突的Entry追加至鏈表的頭部。當(dāng)HashMap在尋址時(shí)發(fā)現(xiàn)某個(gè)key對(duì)應(yīng)的數(shù)組index上有多個(gè)Entry，便會(huì)遍歷該位置上的 Entry鏈表，直到找到目標(biāo)的Entry。

Hashtable

Hashtable 可以說是HashMap的前身（Hashtable自JDK1.0就存在，而HashMap乃至整個(gè)Map接口都是JDK1.2引入的新特性），其實(shí)現(xiàn)思路與HashMap幾乎完全一樣，都是通過數(shù)組存儲(chǔ)Entry，以key的哈希值計(jì)算Entry在數(shù)組中的index，用拉鏈法解決哈希沖突。二者最大的不同在于，Hashtable是線程安全的，其提供的方法幾乎都是同步的。

ConcurrentHashMap

ConcurrentHashMap是HashMap的線程安全版（自JDK1.5引入），提供比Hashtable更高效的并發(fā)性能。
JDK1.8版本的ConcurrentHashMap的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)已經(jīng)接近HashMap，相對(duì)而言，ConcurrentHashMap只是增加了同步的操作來控制并發(fā)，

JDK1.7版本的ReentrantLock+Segment+HashEntry，
JDK1.8版本中synchronized+CAS+HashEntry+紅黑樹,相對(duì)而言，總結(jié)如下思考

1.JDK1.8的實(shí)現(xiàn)降低鎖的粒度，JDK1.7版本鎖的粒度是基于Segment的，包含多個(gè)HashEntry，而JDK1.8鎖的粒度就是HashEntry（首節(jié)點(diǎn)）

2.JDK1.8版本的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)變得更加簡(jiǎn)單，使得操作也更加清晰流暢，因?yàn)橐呀?jīng)使用synchronized來進(jìn)行同步，所以不需要分段鎖的概念，也就不需要Segment這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)了，由于粒度的降低，實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度也增加了 3.JDK1.8使用紅黑樹來優(yōu)化鏈表，基于長(zhǎng)度很長(zhǎng)的鏈表的遍歷是一個(gè)很漫長(zhǎng)的過程，而紅黑樹的遍歷效率是很快的，代替一定閾值的鏈表，這樣形成一個(gè)最佳拍檔

4.JDK1.8為什么使用內(nèi)置鎖synchronized來代替重入鎖ReentrantLock，我覺得有以下幾點(diǎn)

1.因?yàn)榱６冉档土耍谙鄬?duì)而言的低粒度加鎖方式，synchronized并不比ReentrantLock差，在粗粒度加鎖中         ReentrantLock可能通過Condition來控制各個(gè)低粒度的邊界，更加的靈活，而在低粒度中，Condition的優(yōu)           勢(shì)就沒有了

2.JVM的開發(fā)團(tuán)隊(duì)從來都沒有放棄synchronized，而且基于JVM的synchronized優(yōu)化空間更大，使用內(nèi)嵌的           關(guān)鍵字比使用API更加自然

3.在大量的數(shù)據(jù)操作下，對(duì)于JVM的內(nèi)存壓力，基于API的ReentrantLock會(huì)開銷更多的內(nèi)存，雖然不是瓶             頸，但是也是一個(gè)選擇依據(jù)

HashMap vs Hashtable vs ConcurrentHashMap

三者在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層面的機(jī)制原理基本一致
HashMap不是線程安全的，多線程環(huán)境下除了不能保證數(shù)據(jù)一致性之外，還有可能在rehash階段引發(fā)Entry鏈表成環(huán)，導(dǎo)致死循環(huán)
Hashtable是線程安全的，能保證絕對(duì)的數(shù)據(jù)一致性，但性能是問題，并發(fā)線程越多，性能越差
ConcurrentHashMap 也是線程安全的，使用分離鎖和volatile等方法極大地提升了讀寫性能，同時(shí)也能保證在絕大部分情況下的數(shù)據(jù)一致性。但其不能保證絕對(duì)的數(shù)據(jù)一致性，在一個(gè)線程向Map中加入Entry的操作沒有完全完成之前，其他線程有可能讀不到新加入的Entry

LinkedHashMap

LinkedHashMap與HashMap非常類似，唯一的不同在于前者的Entry在HashMap.Entry的基礎(chǔ)上增加了到前一個(gè)插入和后一個(gè)插入的Entry的引用，以實(shí)現(xiàn)能夠按Entry的插入順序進(jìn)行遍歷。

TreeMap

TreeMap是基于紅黑樹實(shí)現(xiàn)的Map結(jié)構(gòu)，其Entry類擁有到左/右葉子節(jié)點(diǎn)和父節(jié)點(diǎn)的引用，同時(shí)還記錄了自己的顏色：


static final class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
        K key;
        V value;
        Entry<K,V> left = null;
        Entry<K,V> right = null;
        Entry<K,V> parent;
        boolean color = BLACK;
 
}

紅黑樹實(shí)際是一種算法復(fù)雜但高效的平衡二叉樹，具備二叉樹的基本性質(zhì)，即任何節(jié)點(diǎn)的值大于其左葉子節(jié)點(diǎn)，小于其右葉子節(jié)點(diǎn)，利用這種特性，TreeMap能夠?qū)崿F(xiàn)Entry的排序和快速查找。
TreeMap的Entry是有序的，所以提供了一系列方便的功能，比如獲取以升序或降序排列的KeySet(EntrySet)、獲取在指定key(Entry)之前/之后的key(Entry)等等。適合需要對(duì)key進(jìn)行有序操作的場(chǎng)景。

ConcurrentSkipListMap

ConcurrentSkipListMap同樣能夠提供有序的Entry排列，但其實(shí)現(xiàn)原理與TreeMap不同，是基于跳表(SkipList)的.
ConcurrentSkipListMap由一個(gè)多級(jí)鏈表實(shí)現(xiàn)，底層鏈上擁有所有元素，逐級(jí)上升的過程中每個(gè)鏈的元素?cái)?shù)遞減。在查找時(shí)從頂層鏈出發(fā)，按先右后下的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行查找，從而實(shí)現(xiàn)快速尋址。

static class Index<K,V> {
        final Node<K,V> node;
        final Index<K,V> down;//下引用
        volatile Index<K,V> right;//右引用
}

與TreeMap不同，ConcurrentSkipListMap在進(jìn)行插入、刪除等操作時(shí)，只需要修改影響到的節(jié)點(diǎn)的右引用，而右引用又是volatile的，所以ConcurrentSkipListMap是線程安全的。但ConcurrentSkipListMap與ConcurrentHashMap一樣，不能保證數(shù)據(jù)的絕對(duì)一致性，在某些情況下有可能無法讀到正在被插入的數(shù)據(jù)。

TreeMap vs ConcurrentSkipListMap

二者都能夠提供有序的Entry集合
二者的性能相近，查找時(shí)間復(fù)雜度都是O(logN)
ConcurrentSkipListMap會(huì)占用更多的內(nèi)存空間
ConcurrentSkipListMap是線程安全的，TreeMap不是

Set類集合

Set 接口繼承Collection，用于存儲(chǔ)不含重復(fù)元素的集合。幾乎所有的Set實(shí)現(xiàn)都是基于同類型Map的，簡(jiǎn)單地說，Set是閹割版的Map。每一個(gè)Set內(nèi)都有一個(gè)同類型的Map實(shí)例（CopyOnWriteArraySet除外，它內(nèi)置的是CopyOnWriteArrayList實(shí)例），Set把元素作為key存儲(chǔ)在自己的Map實(shí)例中，value則是一個(gè)空的Object。Set的常用實(shí)現(xiàn)也包括 HashSet、TreeSet、ConcurrentSkipListSet等，原理和對(duì)應(yīng)的Map實(shí)現(xiàn)完全一致.

Queue/Deque類集合

Queue和Deque接口繼承Collection接口，實(shí)現(xiàn)FIFO（先進(jìn)先出）的集合。二者的區(qū)別在于，Queue只能在隊(duì)尾入隊(duì)，隊(duì)頭出隊(duì)，而Deque接口則在隊(duì)頭和隊(duì)尾都可以執(zhí)行出/入隊(duì)操作

Queue接口常用方法：

add(E)/offer(E)：入隊(duì)，即向隊(duì)尾追加元素，二者的區(qū)別在于如果隊(duì)列是有界的，add方法在隊(duì)列已滿的情況下會(huì)拋出IllegalStateException，而offer方法只會(huì)返回false
remove()/poll()：出隊(duì)，即從隊(duì)頭移除1個(gè)元素，二者的區(qū)別在于如果隊(duì)列是空的，remove方法會(huì)拋出NoSuchElementException，而poll只會(huì)返回null
element()/peek()：查看隊(duì)頭元素，二者的區(qū)別在于如果隊(duì)列是空的，element方法會(huì)拋出NoSuchElementException，而peek只會(huì)返回null

Deque接口常用方法：

addFirst(E) / addLast(E) / offerFirst(E) / offerLast(E)
removeFirst() / removeLast() / pollFirst() / pollLast()
getFirst() / getLast() / peekFirst() / peekLast()
removeFirstOccurrence(Object) / removeLastOccurrence(Object)

Queue接口的常用實(shí)現(xiàn)類：

ConcurrentLinkedQueue

ConcurrentLinkedQueue是基于鏈表實(shí)現(xiàn)的隊(duì)列，隊(duì)列中每個(gè)Node擁有到下一個(gè)Node的引用：

private static class Node<E> {
        volatile E item;
        volatile Node<E> next;
}

由于Node類的成員都是volatile的，所以ConcurrentLinkedQueue自然是線程安全的。能夠保證入隊(duì)和出隊(duì)操作的原子性和一致性，但在遍歷和size()操作時(shí)只能保證數(shù)據(jù)的弱一致性。

LinkedBlockingQueue

與ConcurrentLinkedQueue不同，LinkedBlocklingQueue是一種無界的阻塞隊(duì)列。所謂阻塞隊(duì)列，就是在入隊(duì)時(shí)如果隊(duì)列已滿，線程會(huì)被阻塞，直到隊(duì)列有空間供入隊(duì)再返回；同時(shí)在出隊(duì)時(shí)，如果隊(duì)列已空，線程也會(huì)被阻塞，直到隊(duì)列中有元素供出隊(duì)時(shí)再返回。LinkedBlocklingQueue同樣基于鏈表實(shí)現(xiàn)，其出隊(duì)和入隊(duì)操作都會(huì)使用ReentrantLock進(jìn)行加鎖。所以本身是線程安全的，但同樣的，只能保證入隊(duì)和出隊(duì)操作的原子性和一致性，在遍歷時(shí)只能保證數(shù)據(jù)的弱一致性。

ArrayBlockingQueue
ArrayBlockingQueue是一種有界的阻塞隊(duì)列，基于數(shù)組實(shí)現(xiàn)。其同步阻塞機(jī)制的實(shí)現(xiàn)與LinkedBlocklingQueue基本一致，區(qū)別僅在于前者的生產(chǎn)和消費(fèi)使用同一個(gè)鎖，后者的生產(chǎn)和消費(fèi)使用分離的兩個(gè)鎖。

ConcurrentLinkedQueue vsLinkedBlocklingQueue vs ArrayBlockingQueue

ConcurrentLinkedQueue是非阻塞隊(duì)列，其他兩者為阻塞隊(duì)列
三者都是線程安全的
LinkedBlocklingQueue是無界的，適合實(shí)現(xiàn)不限長(zhǎng)度的隊(duì)列， ArrayBlockingQueue適合實(shí)現(xiàn)定長(zhǎng)的隊(duì)列

SynchronousQueue

SynchronousQueue算是JDK實(shí)現(xiàn)的隊(duì)列中比較奇葩的一個(gè)，它不能保存任何元素，size永遠(yuǎn)是0，peek()永遠(yuǎn)返回null。向其中插入元素的線程會(huì)阻塞，直到有另一個(gè)線程將這個(gè)元素取走，反之從其中取元素的線程也會(huì)阻塞，直到有另一個(gè)線程插入元素。

這種實(shí)現(xiàn)機(jī)制非常適合傳遞性的場(chǎng)景。也就是說如果生產(chǎn)者線程需要及時(shí)確認(rèn)到自己生產(chǎn)的任務(wù)已經(jīng)被消費(fèi)者線程取走后才能執(zhí)行后續(xù)邏輯的場(chǎng)景下，適合使用SynchronousQueue。

PriorityQueue & PriorityBlockingQueue

這兩種Queue并不是FIFO隊(duì)列，而是根據(jù)元素的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行排序，保證最小的元素最先出隊(duì)，也可以在構(gòu)造隊(duì)列時(shí)傳入Comparator實(shí)例，這樣PriorityQueue就會(huì)按照Comparator實(shí)例的要求對(duì)元素進(jìn)行排序。
PriorityQueue是非阻塞隊(duì)列，也不是線程安全的，PriorityBlockingQueue是阻塞隊(duì)列，同時(shí)也是線程安全的。
Deque 的實(shí)現(xiàn)類包括LinkedList（前文已描述過）、ConcurrentLinkedDeque、LinkedBlockingDeque，其實(shí)現(xiàn)機(jī)制與前文所述的ConcurrentLinkedQueue和LinkedBlockingQueue非常類似

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04 java 集合框架匯總及使用場(chǎng)景

04 java 集合框架匯總及使用場(chǎng)景

Collection接口

Map接口

List類集合

ArrayList

LinkedList

ArrayList vs LinkedList

Vector

CopyOnWriteArrayList

Map類集合

HashMap

Hashtable

ConcurrentHashMap

HashMap vs Hashtable vs ConcurrentHashMap

LinkedHashMap

TreeMap

ConcurrentSkipListMap

TreeMap vs ConcurrentSkipListMap

Set類集合

Queue/Deque類集合

ConcurrentLinkedQueue

LinkedBlockingQueue

ConcurrentLinkedQueue vsLinkedBlocklingQueue vs ArrayBlockingQueue

SynchronousQueue

PriorityQueue & PriorityBlockingQueue

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Collection接口

Map接口

List類集合

ArrayList

LinkedList

ArrayList vs LinkedList

Vector

CopyOnWriteArrayList

Map類集合

HashMap

Hashtable

ConcurrentHashMap

HashMap vs Hashtable vs ConcurrentHashMap

LinkedHashMap

TreeMap

ConcurrentSkipListMap

TreeMap vs ConcurrentSkipListMap

Set類集合

Queue/Deque類集合

ConcurrentLinkedQueue

LinkedBlockingQueue

ConcurrentLinkedQueue vsLinkedBlocklingQueue vs ArrayBlockingQueue

SynchronousQueue

PriorityQueue & PriorityBlockingQueue

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