java集合专题 （ArrayList、HashSet等集合底层结构及扩容机制、HashMap源码）

一、数组与集合比较

数组：

　　1)长度开始时必须指定，而且一旦指定，不能更改
　　2)保存的必须为同一类型的元素
　　3)使用数组进行增加/删除元素-比较麻烦

集合：　

　　1)可以动态保存任意多个对象，使用比较方便
　　2)提供了一系列方便的操作对象的方法: add、remove、set、 get等
　　3)使用集合添加,删除新元素-更加简洁

二、常见集合体系图

（1）常见单列集合

List: 有序可重复、支持索引、可根据索引值取数据、可以存入多个null值

Set: 无序不可重复、无索引、最多只包含一个null值

（2）常见双列集合

三、List集合

1.List接口介绍及常用方法

　　1) List集合类中元素有序(即添加顺序和取出顺序一致)、 且可重复[案例]
　　2) List集合中的每个元素都有其对应的顺序索引，即支持索引。[案例]
　　3) List容器中的元素都对应一 个整数型的序号记载其在容器中的位置，可以根
　　据序号存取容器中的元素。

2.ArrayList底层分析

2.1 ArrayList基本介绍

　　1) permits all elements, including null , ArrayList可以加入null,并且可以添加多个null
　　2) ArrayList底层是由可变数组来实现数据存储的
　　3) ArrayList基本等同于Vector ,除了ArrayList是线程不安全(执行效率高)，在多线程情况下，不建议使用ArrayList

2.2 ArrayList的底层底层结构及扩容机制

　　1) ArrayList中维护了一个Object类型的数组elementData. [debug 看源码]    transient   Object[] elementData;    //transient 表示瞬间、短暂的，表示该属性不会被序列化
　　2)当创建ArrayList对象时，如果使用的是无参构造器，则初始elementData容量为0, 第1次添加，则扩容elementData为10, 如大小不够需要再次扩容，则调用grow()扩容elementData为1.5倍。grow()内部数据拷贝使用Arrays.Copyof()。
　　3)如果使用的是指定大小的构造器，则初始elementData容量为指定大小， 如果需要扩容，则直接扩容elementData为1.5倍。

3.Vector底层分析

3.1 Vector基本介绍

　　1) Vector底层也是一个对象数组，protected Object[] elementData;
　　2) Vector是线程同步的，即线程安全，Vector类的操作方法带有synchronized
　　   public synchronized E get(int index) {
　　　　if (index >= elementCount)
　　　　　throw new ArrayIndexOutOfBoundsException(index);
　　　    return elementData(index);}

　　3)在开发中，需要线程同步安全时，考虑使用Vector

3.2 Vector与ArrayList的比较（扩容机制）

4.LinkedList底层分析

4.1 LinkedList基本介绍

　　1) LinkedList底层实现了双向链表和双端队列特点
　　2)可以添加任意元素(元素可以重复)，包括null
　　3)线程不安全，没有实现同步

4.2 LinkedList底层结构　

　　1) LinkedList底层维护了一个双向链表
　　2) LinkedList中维护了两个属性first和last分别指向首节点和尾节点
　　3)每个节点(Node对象) ，里面又维护了prev、next、 item三个属性，其中通过prev指向前一 个，通过next指向后个节点，而item就是真正存放数据的属性。最终实现双向链表
　　4)所以LinkedList的元素的添加和删除，不是通过数组完成的，相对来说效率较高，添加是添加在双向链表的尾部，remove()不指定索引默认删除的是第一个数据

4.3 ArrayList和LinkedList的比较

四、Set集合

1.Set接口介绍及常用方法

　　1)无序(添加和取出的顺序不一致) ,没有索引后面演示]
　　2)不允许重复元素，所以最多包含一个null

2.HashSet底层分析

2.1 HashSet基本介绍

　　1) HashSet实际上是HashMap(jdk1.7:数组+链表   jdk1.8:数组+链表+红黑树 )，看下源码
　　　　public HashSet() {
　　　　   map = new HashMap<>();
　　　　}
　　2)可以存放null值，但是只能有一个null
　　3) HashSet不保证元素是有序的,取决于hash后，再确定索引的结果
　　4)不能有重复元素/对象在前面Set接口使用已经讲过

2.2 HashSet底层结构及源码解读

　　1. HashSet 底层是HashMap
　　2.添加一个元素时，先得到hash值-会转成->索引值
　　3.找到存储数据表table ,看这个索引位置是否已经存放的有元素
　　4.如果没有，直接加入
　　5.如果有,调用equals比较，如果相同，就放弃添加，如果不相同，则添加到最后
　　6.在Java8中，如果一条链表的元素个数到达TREEIFY THRESHOLD(默认是8)，并且table的大小>=MIN TREEIFY CAPACITY(默认64),就会进行树化(红黑树)

public class Debug03 {
    public static void main(String[] args) {
　　　　 //添加实例
        HashSet set = new HashSet();
        set.add("java");
        set.add("php");
        set.add("java");
        System.out.println(set);

        /*
        源码解读
        1. 执行HashSet()
            public HashSet() {
                map = new HashMap<>();
            }
        2. 执行add()
            public boolean add(E e) {    //e="java"
                return map.put(e, PRESENT)==null;  // (static) PRESENT = new Object();
            }
        3. 执行put()，该方法会执行hash(key)得到key对应的hash值  算法 (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16)  避免碰撞
            public V put(K key, V value) {  //key="java"  value=PRESENT  共享的
                return putVal(hash(key), key, value, false, true);
            }
        4. 执行putVal()
            final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
                   boolean evict) {
                Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;   //定义了辅助变量
                // table就是HashMap的一个数组，类型是Node[]
                // if 语句表示如果当前table 是null或者 大小 = 0，就是第一次扩容，到16
                if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
                    n = (tab = resize()).length;
                //(1)根据key,得到hash 去计算该key应该存放到table表的哪个索引位置,并把这个位置的对象，赋给 p
                //(2)判断p 是否为null
                //(2.1)如果p 为null，表示还没有存放元素，就创建一个Node(key="java",value=PRESENT)
                //(2.2)就放在该位置 tab[i] = newNode(hash, key, value, null)
                if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
                    tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
                else {
                    // 一个开发技巧提示:在需要局部变量（辅助变量）时候,再创建
                    Node<K,V> e; K k;
                    // 如果当前索引位置对应的链表的第一个元素和准备添加的key的hash值一样
                    // 并且满足 下面两个条件之一：
                    //(1)准备加入的key 和 p 指向的Node节点的key是同一个对象
                    //(2)p指向的node节点的key的equals() 和准备加入的key比较后相同
                    // 就不能加入
                    if (p.hash == hash &&
                        ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                        e = p;
                    // 再判断 p 是不是一颗红黑树，
                    // 如果是一颗红黑树，就调用 putTreeVal，来进行添加
                    else if (p instanceof TreeNode)
                        e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
                    // 如果table对应的索引位置，已经是一个链表，就使用for循环比较
                    //(1)依次和该链表的每一个元素比较后，都不相同，则加入到该链表的最后
                    //  注意在把元素添加到链表后，立即判断该链表是否已经达到8个结点
                    //  就调用treeifyBin() 对当前这个链表进行树化(转成红黑树)
                    //  注意，在转成红黑树时，要进行判断，判断条件
                    //  if (tab == null | (n = tab.Length) < MIN_ TREEIFY_ CAPACITY(64) )
                    //  resize() ;
                    //  如果上面条件成立，先table扩容。
                    //  只有上面条件不成立时，才进行转成红黑树
                    //(2)依次和该链表的每一个元素比较过程中，如果有相同情况，就直接break
                    else {
                        for (int binCount = 0; ; ++binCount) {  //死循环
                            if ((e = p.next) == null) {
                                p.next = newNode(hash, key, value, null);
                                if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
                                    treeifyBin(tab, hash);
                                break;
                            }
                            if (e.hash == hash &&
                                ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                                break;
                            p = e;
                        }
                    }
                    if (e != null) { // existing mapping for key
                        V oldValue = e.value;
                        if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
                            e.value = value;
                        afterNodeAccess(e);
                        return oldValue;
                    }
                }
                ++modCount;
　　　　　　　　　 //size 就是我们加入一个节点Node(k,v,h,next),size++
                if (++size > threshold)
                    resize();  //扩容
                afterNodeInsertion(evict);
                return null;
            }
         */
    }
}

2.3 HashSet扩容及树化机制

　　1. HashSet底层是HashMap,第一次添加时，table 数组扩容到16,临界值(threshold)是16*加载因子(loadFactor)是0.75 = 12
　　2.如果table数组使用到了临界值12,就会扩容到16* 2 = 32,新的临界值就是32*0.75 = 24,依次类推正
　　3.在Java8中，如果条链表的元素个数到达TREEIFY THRESHOLD(默认是8 ),并且table的大小>=MIN TREEIFY CAPACITY(默认64),就会进行树化(红黑树)，否则仍然采用数组扩容机制

3.LinkedHashSet底层分析

　　1)LinkedHashSet加入顺序和取出元素,数据的顺序一致
　　2) LinkedHashSet 底层维护的是一个LinkedHashMap(是HashMap的子类)
　　3) LinkedHashSet 底层结构( 数组table+双向链表)
　　4) 第一次添加元素时，直接将数组tabLe扩容到16 ,存放的结点类型是LinkedHashMap$Entry 每一个节点有before、after分别指向前一个和后一个元素
　　5)数组是HashMap$Node[] 存放的元素/数据是L inkedHashMap$Entry类型

4.TreeSet底层分析

4.1 TreeSet基本介绍

　　1)当我们使用无参构造器， 创建TreeSet时，仍然是无序的，存储数据的底层结构是TreeMap$Entry
　　2)若希望添加的元素，按照字符串字典顺序来排序
　　3)使用Treeset提供的一一个构造器，可以传入-个比较器(匿名内部类)  并指定排序规则

4.2 TreeSet源码解读

public class TreeSet_ {
    public static void main(String[] args) {//TreeSet treeSet = new TreeSet();
        //4、简单看下源码
        TreeSet treeSet = new TreeSet(new Comparator() {
            @Override
            public int compare(Object o1, Object o2) {
                // 下面 调用String的compareTo方法进行字符串  字典顺序 排序
                // return ((String)o1).compareTo((String)o2);
                // 如果按照长度大小排序  小-->大
                return ((String)o1).length()-((String)o2).length();
            }
        });
        treeSet.add("jack");
        treeSet.add("tom");
        treeSet.add("sp");
        treeSet.add("a");
        System.out.println(treeSet);

        /*
        源码解读：
        1.构造器把传入的比较器对象，赋给了TreeSet的底层的TreeMap的属性this。comparator
            public TreeMap(Comparator<? super K> comparator) {
                     this.comparator = comparator;
             }
        2、在 调用treeSet.add("tom"),在底层会执行到
                if (cpr != null) {  //cpr 就是我们的匿名内部类（对象）
                    do {
                        parent = t;
                        //动态的绑定到我们的匿名内部类（对象）compare
                        cmp = cpr.compare(key, t.key);
                        if (cmp < 0)
                            t = t.left;
                        else if (cmp > 0)
                            t = t.right;
                        else {  //如果相等，即返回0，这个key就没有加入
                            V oldValue = t.value;
                            if (replaceOld || oldValue == null) {
                                t.value = value;
                            }
                            return oldValue;
                        }
                    } while (t != null);
                 }
         */
    }
}

五、Map集合

1.Map接口介绍及常用方法

　　1) Map与Collection并列存在。用于保存具有映射关系的数据:Key-Value
　　2) Map中的key和value 可以是任何引用类型的数据，会封装到HashMap$Node对象中
　　3) Map中的key不允许重复，原因和HashSet一样，前面分析过源码
　　4) Map中的value可以重复
　　5) Map的key可以为null, value也可以为null ,注意key为null,只能有一个，value 为null ,可以多个
　　6)常用String类作为Map的key
　　7) key和value之间存在单向一对一关系，即通过指定的key总能找到对应的value

　　8) Map存放数据的key-value示意图，一对k-v是放在一个HashMap$Node中的， 又因为Node实现了Entry 接口，有些书上也说一对k-v就是一个Entry

2.Map集合的六种遍历方式

public class Map01 {
    public static void main(String[] args) {
        Map map = new HashMap();
        map.put(1, "张三");
        map.put(2, "李四");
        map.put(3, "王五");
        map.put(4, "赵六");
        map.put(5, "田七");

        //第一组：先取出所有的key，通过key取出对应的value
        Set set = map.keySet();
        //(1)增强for
        for (Object key : set) {
            System.out.println(key + "-" + map.get(key));
        }
        //(2)迭代器
        Iterator iterator = set.iterator();
        while (iterator.hasNext()) {
            Object key = iterator.next();
            System.out.println(key + "-" + map.get(key));
        }

        //第二组：把所有的values取出
        Collection values = map.values();
        //这里可以使用所有的Collection使用的遍历方法
        //(1)增强for
        for (Object value : values) {
            System.out.println(value);
        }
        //(2)迭代器
        Iterator iterator1 = values.iterator();
        while (iterator1.hasNext()) {
            Object values2 = iterator1.next();
            System.out.println(values2);
        }

        //第三组：通过EntrySet 获取 k-v
        //(1)增强for
        Set entrySet = map.entrySet();
        for (Object entry : entrySet) {
            //将entry 转成 Map.Entry
            Map.Entry m = (Map.Entry) entry;
            System.out.println(m.getKey()+"-"+m.getValue());
        }
        //(2)迭代器
        Iterator iterator2 = entrySet.iterator();
        while (iterator2.hasNext()) {
            Object entry = iterator2.next();
            Map.Entry m = (Map.Entry) entry;
            System.out.println(m.getKey()+"-"+m.getValue());
        }
    }
}

3.HashMap底层分析

3.1 HashMap基本介绍

　　1) Map接口的常用实现类: HashMap、 Hashtable和Properties。
　　2) HashMap是Map接口使用频率最高的实现类。
　　3) HashMap是以key-val对的方式来存储数据[案例Entry ]
　　4) key不能重复，但是是值可以重复，允许使用null键和null值。
　　5)如果添加相同的key ,则会覆盖原来的key-val ,等同于修改.(key不会替换，val会替换)
　　6)与HashSet-样，不保证映射的顺序，因为底层是以hash表的方式来存储的.
　　7) HashMap没有实现同步，因此是线程不安全的

3.2 HashMap底层扩容(和HashSet相同)及源码解读

　　1) HashMap底层维护了Node类型的数组table,默认为null
　　2)当创建对象时，将加载因子(loadfactor)初始化为0.75.
　　3)当添加key-val时，通过key的哈希值得到在table的索引。然后判断该索引处是否有元素，如果没有元素直接添加。如果该索引处有元素，继续判断该元素的key和准备加入的key相是否等，如果相等，则直接替换val;如果不相等需要判断是树　结构还是链表结构，做出相应处理。如果添加时发现容量不够，则需要扩容
　　4)第1次添加，则需要扩容table容量为16,临界值(threshold)为12.
　　5)以后再扩容，则需要扩容table容量为原来的2倍，临界值为原来的2倍,即24,依次类推
　　6)在Java8中，如果条链表的元素个数超过TREEIFY THRESHOLD(默认是8)，并且table的大小>= MIN TREEIFY CAPACITY(默认64),就会进行树化(红黑树)

public class HashMapDebug {
    public static void main(String[] args) {
        HashMap hashMap=new HashMap();
        hashMap.put("java",10);
        hashMap.put("php",20);
        hashMap.put("java",30); //替换 10
        System.out.println(hashMap);

       /*HashMap源码解读
        1、执行构造器 new HashMap()
          初始化加载因子  loadfactor=0.75
           HashMap$Node[] table = null
        2、执行put() 调用 hash方法，计算key的hash值 (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16)
            public V put(K key, V value) {  key="java"  value=10
                 return putVal(hash(key), key, value, false, true);
            }
        3、执行putVal()
            final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
                   boolean evict) {
                Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;  //辅助变量
                //如果底层的table数组为空，或者长度等于0，就进行第一次扩容到16
                if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
                    n = (tab = resize()).length;
                //取出hash值对应的table的索引位置的Node,如果为null,就直接把加入的k-v创建成一个Node,加入该位置即可
                if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
                    tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
                else {
                    Node<K,V> e; K k;  //辅助变量
                    //如果tabLe的索引位置的key的hash相同和新的key的hash值相同，
                    //并 满足(tabLe现有的结点的key和准备添加的key是同一个对象 || equals返回真)
                    if (p.hash == hash &&
                        ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                        e = p;
                    else if (p instanceof TreeNode)  //如果当前的table的已有的Node 是红黑树，就按照红黑树的方式处理
                        e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
                    else {   //如果找到的节点 后面是链表，就循环比较
                        for (int binCount = 0; ; ++binCount) {  //死循环
                            if ((e = p.next) == null) {  //如果整个链表，没有和他相同，就加在该链表的最后
                                p.next = newNode(hash, key, value, null);
                                //加入后，判断当前链表的个数，是否到达8个，到达8个后
                                //就调用treeifyBin()进行红黑树的转化
                                if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
                                    treeifyBin(tab, hash);
                                break;
                            }
                            if (e.hash == hash &&  //如果在循环比较过程中，发现有相同，就break，替换value
                                ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                                break;
                            p = e;
                        }
                    }
                    if (e != null) { // existing mapping for key
                        V oldValue = e.value;
                        if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
                            e.value = value;  //替换，key对应的value
                        afterNodeAccess(e);
                        return oldValue;
                    }
                }
                ++modCount;  //每增加一个Node,就size++
                if (++size > threshold) //如 size > 临界值,就扩容
                    resize();
                afterNodeInsertion(evict);
                return null;
             }

         5. 关于树化（转成红黑树）
             //如果table为null,或者大小还没有到64，暂时不树化，而是进行扩容
             //否则才会正真的树化 -> 剪枝
             final void treeifyBin(Node<K,V>[] tab, int hash) {
                int n, index; Node<K,V> e;
                if (tab == null || (n = tab.length) < MIN_TREEIFY_CAPACITY)
            resize();
            ......
        */
    }
}

4.HashTable底层分析

4.1 HashTable基本介绍

　　1) 存放的元素是键值对: 即K-V
　　2) hashtable的键和值都不能为null, 否则会抛出NullPointerException
　　3) hashTable使用方法基本上和HashMap-样
　　4) hashTable是线程安全的(synchronized), hashMap是线程不安全的

4.2 HashTable底层扩容机制　　

　　1) 底层有数组Hashtable$Entry[] 初始化大小为11
　　2) 临界值threshold 8 = 11 * 0.75
　　3) 扩容:按照自己的扩容机制来进行即可。
　　4) 执行方法addEntry(hashp key, value, index); 添加K-V 封装到Entry
　　5) 当if (count >= threshoLd) 满足时，就进行扩容
　　6) 按照int newCapacity = (oldCapacity << 1) + 1;的大小扩容。

4.3 HashTable和HashMap对比

5.TreeMap底层分析

5.1 TreeMap基本介绍

　　使用默认 的构造器，创建TreeMap, 是无序的( 也是没有排序的)

　　compare方法的比较条件若相同 则不添加  而不是替换

5.2 TreeMap底层源码

public class TreeMap_ {
    public static void main(String[] args) {
        //TreeMap treeMap= new TreeMap();
        TreeMap treeMap = new TreeMap(new Comparator() {
            @Override
            public int compare(Object o1, Object o2) {
                //要求：按照传入的 k(String) 的 字典顺序 进行排序
                //return ((String)o1).compareTo((String)o2);
                //按照字符串的长度大小排序  小-->大
                return ((String)o1).length()-((String)o2).length();
            }
        });
        treeMap.put("jack","杰克");
        treeMap.put("tom","汤姆");
        treeMap.put("kiri","凯瑞");//"kiri"长度和"jack"长度相等无法加入
        treeMap.put("smith","史密斯");
        System.out.println(treeMap);

        /*
        源码解读：
        1. 构造器：把实现了 Comparator接口的匿名内部类（对象），传给了TreeMap的comparator
            public TreeMap(Comparator<? super K> comparator) {
                this.comparator = comparator;
            }
        2. 调用put方法
        2.1 第一次添加，把k-v封装到Entry对象，放入root
          Entry<K,V> t = root;
            if (t == null) {
                addEntryToEmptyMap(key, value);
                return null;
            }
        2.2 以后添加
         Comparator<? super K> cpr = comparator;
                if (cpr != null) {
                    do {  //遍历所有的key,给当前的key找到适当的位置
                        parent = t;
                        cmp = cpr.compare(key, t.key); //动态的绑定到我们的匿名内部类的compare
                        if (cmp < 0)
                            t = t.left;
                        else if (cmp > 0)
                            t = t.right;
                        else {  //如果遍历过程中，发现准备添加的key 和当前已有的key相等(compare比较)，就不添加
                            V oldValue = t.value;
                            if (replaceOld || oldValue == null) {
                                t.value = value;
                            }
                            return oldValue;
                        }
                    } while (t != null);
                }
         */
    }
}

六、Collections工具类

　　1) Collections是个操作 Set、List和Map等集合的工具类
　　2) Collections中提供了一系列静态的方法对集合元素进行排序、查询和修改等操作

　　排序操作

　　1) reverse(List):反转List中元素的顺序
　　2) shuffle(List):对List集合元素进行随机排序
　　3) sort(List):根据元素的自然顺序对指定List集合元素按升序排序
　　4) sort(List, Comparator): 根据指定的Comparator产生的顺序对List集合元素进行排序
　　5) swap(List, int, int): 将指定list集合中的i处元素和j处元素进行交换

　　查找、替换

　　1) Object max(Collection):根据元素的自然顺序，返回给定集合中的最大元素
　　2) Object max(Collection, Comparator): 根据Comparator指定的顺序，返回给定集合中的最大元素
　　3) Object min(Collection)
　　4) Object min(Collection, Comparator)
　　5) int frequency(Collection, Object): 返回指定集合中指定元素的出现次数
　　6)void copy(List dest,List src):将src中的内容复制到dest中
　　7) boolean replaceAll(List list, Object oldVal, Object newVal):使用新值替换List对象的所有旧值

　　本笔记参考视频：https://www.bilibili.com/video/BV1YA411T76k?p=55（其他的集合源码的debug可以去看老韩讲解的视频）