Java 常用数据结构对象的实现原理 集合类 List Set Map 哪些线程安全 (美团面试题目)

Java中的集合包括三大类，它们是Set、List和Map，

它们都处于java.util包中，Set、List和Map都是接口，它们有各自的实现类。

List、Set都继承自Collection接口，Collection （所有集合类的接口）

• Set（集） 实现类主要有HashSet和TreeSet
• List（列表） 实现类主要有ArrayList,LinkedList,Vector
• Map（映射）实现类主要有HashMap和TreeMap,HashTable

• 线程安全类

• 在集合框架中，有些类是线程安全的，这些都是jdk1.1中的出现的。在jdk1.2之后，就出现许许多多非线程安全的类。 下面是这些线程安全的同步的类：

  vector：就比arraylist多了个同步化机制（线程安全），因为效率较低，现在已经不太建议使用。在web应用中，特别是前台页面，往往效率（页面响应速度）是优先考虑的。

  statck：堆栈类，先进后出

  hashtable：就比hashmap多了个线程安全

  enumeration：枚举，相当于迭代器

• StringBuffer也是线程安全的，（StringBuilder 不是线程安全的）

• 除了这些之外，其他的都是非线程安全的类和接口。

  线程安全的类其方法是同步的，每次只能一个访问。是重量级对象，效率较低。

• Collection 和 Map 的区别

  容器内每个为之所存储的元素个数不同。Collection类型者，每个位置只有一个元素。Map类型者，持有 key-value pair，像个小型数据库。

  List,Set都是继承自Collection接口，Map则不是

  (a) Collection
       --List：将以特定次序存储元素。所以取出来的顺序可能和放入顺序不同。
             --ArrayList / LinkedList / Vector
       --Set ： 不能含有重复的元素
             --HashSet / TreeSet
   (b) Map
       --HashMap
       --HashTable
       --TreeMap

  总结

• List，Set，Map将持有对象一律视为Object型别。

  Collection、List、Set、Map都是接口，不能实例化。    继承自它们的 ArrayList, Vector, HashTable, HashMap是具象class，这些才可被实例化。
  vector容器确切知道它所持有的对象隶属什么型别。vector不进行边界检查。

  1. 如果涉及到堆栈，队列等操作，应该考虑用List，对于需要快速插入，删除元素，应该使用LinkedList，如果需要快速随机访问元素，应该使用ArrayList。
  2. 如果程序在单线程环境中，或者访问仅仅在一个线程中进行，考虑非同步的类，其效率较高，如果多个线程可能同时操作一个类，应该使用同步的类。
  3. 在除需要排序时使用TreeSet,TreeMap外,都应使用HashSet,HashMap,因为他们 的效率更高。
  4. 要特别注意对哈希表的操作，作为key的对象要正确复写equals和hashCode方法。 
  5. 容器类仅能持有对象引用（指向对象的指针），而不是将对象信息copy一份至数列某位置。一旦将对象置入容器内，便损失了该对象的型别信息。
  6. 尽量返回接口而非实际的类型，如返回List而非ArrayList，这样如果以后需要将ArrayList换成LinkedList时，客户端代码不用改变。这就是针对抽象编程。

• 7. set中不允许有重复的元素存在

• 8. map的 key 集合和 set集合都不允许有重复的元素存在，list可以有重复的元素存在

  注意：
  1、Collection没有get()方法来取得某个元素。只能通过iterator()遍历元素。
  2、Set和Collection拥有一模一样的接口。
  3、List，可以通过get()方法来一次取出一个元素。使用数字来选择一堆对象中的一个，get(0)...。(add/get)
  4、一般使用ArrayList。用LinkedList构造堆栈stack、队列queue。
  5、Map用 put(k,v) / get(k)，还可以使用containsKey()/containsValue()来检查其中是否含有某个key/value。
        HashMap会利用对象的hashCode来快速找到key。
  6、Map中元素，可以将key序列、value序列单独抽取出来。

  使用keySet()抽取key序列，将map中的所有keys生成一个Set。

  使用values()抽取value序列，将map中的所有values生成一个Collection。

  为什么一个生成Set，一个生成Collection？那是因为，key总是独一无二的，value允许重复。  

(2)List中的对象按照索引位置排序，可以有重复对象，允许按照对象在集合中的索引位置检索对象，如通过list.get(i)方式来获得List集合中的元素。
    (3)Set中的对象不按特定方式排序，并且没有重复对象。但它的有些实现类能对集合中的对象按特定方式排序，例如TreeSet类，它可以按照默认排序，也可以通过实现             java.util.Comparator<Type>接口来自定义排序方式。　　
    (4) Map中的每一个元素包含一个键对象和值对象，它们成对出现。键对象不能重复，值对象可以重复。

关系如图：

或者：

Collections （操作集合的工具类）
对于集合类的操作不得不提到工具类Collections，它提供了许多方便的方法，如求两个集合的差集、并集、拷贝、排序等等。
由于大部分的集合接口实现类都是不同步的，可以使用Collections.synchronized*方法创建同步的集合类对象。
如创建一个同步的List：
List synList = Collections.synchronizedList(new ArrayList());
其实现原理就是重新封装new出来的对象，操作对象时用关键字synchronized同步。看源码很容易理解。
Collections部分源码：

static class SynchronizedCollection<e> implements Collection<e>, Serializable {

        final Collection<e> c;  // Backing Collection
        final Object mutex;     // Object on which to synchronize

        SynchronizedCollection(Collection<e> c) {
            if (c==null)
                throw new NullPointerException();
            this.c = c;
            mutex = this;
        }
        //...
        public boolean add(E e) {
            //操作集合时简单调用原本的ArrayList对象，只是做了同步
            synchronized (mutex) {return c.add(e);}
        }
        //...

List（列表）

ArrayList、Vector是线性表，使用Object数组作为容器去存储数据的，添加了很多方法维护这个数组，使其容量可以动态增长，极大地提升了开发效率。它们明显的区别是ArrayList是非同步的，Vector是同步的。不用考虑多线程时应使用ArrayList来提升效率。

LinkedList是链表，略懂数据结构就知道其实现原理了。链表随机位置插入、删除数据时比线性表快，遍历比线性表慢。

由此可根据实际情况来选择使用ArrayList（非同步、非频繁删除时选择）、Vector（需同步时选择）、LinkedList（频繁在任意位置插入、删除时选择）。

Map（存储键值对，key唯一）

HashMap结构的实现原理是将put进来的key-value封装成一个Entry对象存储到一个Entry数组中，位置（数组下标）由key的哈希值与数组长度计算而来。如果数组当前下标已有值，则将数组当前下标的值指向新添加的Entry对象。

public class HashMap<k,v> extends AbstractMap<k,v> implements Map<k,v>, Cloneable, Serializable
{
    transient Entry<k,v>[] table;
    public V put(K key, V value) {
        if (key == null)
            return putForNullKey(value);
        int hash = hash(key);
        int i = indexFor(hash, table.length);
        //遍历当前下标的Entry对象链，如果key已存在则替换
        for (Entry<k,v> e = table[i]; e != null; e = e.next) {
        Object k;
        if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {
            V oldValue = e.value;
            e.value = value;
            e.recordAccess(this);
            return oldValue;
        }
    }
       addEntry(hash, key, value, i);
        return null;
    }
}
static class Entry<k,v> implements Map.Entry<k,v> {
    final K key;
    V value;
    Entry<k,v> next;
    int hash;
}

TreeMap是由Entry对象为节点组成的一颗红黑树，put到TreeMap的数据默认按key的自然顺序排序，new TreeMap时传入Comparator自定义排序。红黑树网上很多资料，我讲不清，这里就不介绍了。

Set（保证容器内元素唯一性）

之所以先讲Map是因为Set结构其实就是维护一个Map来存储数据的，利用Map结构key值唯一性。 
HashSet部分源码：

public class HashSet<e>
extends AbstractSet<e>
implements Set<e>, Cloneable, java.io.Serializable
{    

    //无意义对象来作为Map的value
    private static final Object PRESENT = new Object();
    public boolean add(E e) {
        return map.put(e, PRESENT)==null;
    }
}

HashMap和HashTable的区别

具体的区别请参考：HashMap、HashTable、ConcurrentHashMap、HashSet区别 线程安全类

StringBuffer是线程安全，而StringBuilder是线程不安全的。对于安全与不安全没有深入的理解情况下，易造成这样的错觉，如果对于StringBuffer的操作均是线程安全的，然而，Java给你的保证的线程安全，是说它的方法是执行是排它的，而不是对这个对象本身的多次调用情况下，还是安全的。看看下边的例子，在StringBufferTest中有一个数据成员contents它是用来扩展的，它的每一次append是线程安全的，但众多次append的组合并不是线程安全的，这个输出结果不是太可控的，但如果对于log和getContest方法加关键字synchronized，那么结果就会变得非常条理，如果换成StringBuider甚至是append到一半，它也会让位于其它在此基础上操作的线程：

参考：Java基础之常用数据结构及原理分析