Java集合(总结，面试使用)

Posted 2022-12-14 钢铁-程序猿

文章目录

• Java容器
• • List
  • • 一、ArrayList
    • • fail-fast(快速失败)
      • 序列化和反序列化
      • Vector和ArrayList的相同和不同
    • 二、LinkedList
    • • LinkedList对于查找的优化
    • 三、CopyOnWriteArrayList(有一个属性是ReentrantLock对象)
    • • add方法(会加锁)
      • get方法(未加锁)
      • 总结
  • Map
  • • 1.7 HashMap
    • • put方法总结(一定要看，不在桶里面的话，先判断需不需要扩容(扩容条件：size的值是不是大于等于阈值且那个Hash桶元素不为null))
      • get方法总结
    • 1.8HashMap
    • • put函数总结(1.7 单独判断key是否为null，1.8单独判断桶是否为null)
    • ConcurrentHashMap 1.7
    • • put（总结，面试看懂这个即可）
      • put操作(先计算在哪个Entry(hash值的高sshift位和size-1进行按位与)，再计算在Entry的哪个位置
      • get操作(不加锁)
      • size函数
    • ConcurrentHashMap 1.8
    • • sizeCtl
      • put总结
      • 一些难点
    • LinkedHashMap
    • • 重要的三个函数
      • 总结
      • 使用LinkedHashMap实现LRU

Java容器

List

一、ArrayList

• 1、初始大小为10，扩容为现在的1.5
• 2、扩容使用Arrays.copyOf()把原来的整个数组复制到新的数组中。
• 3、变量的方式有
  for循环遍历
  增强for循环
  迭代器

fail-fast(快速失败)

使用modCount记录list发生变化(增加删除)的次数

if (modCount != expectedModCount)
    throw new ConcurrentModificationException();

序列化和反序列化

private void readObject(java.io.ObjectInputStream s)
private void writeObject(java.io.ObjectOutputStream s)

Vector和ArrayList的相同和不同

相同点：

• 底层都是数组实现的
• 默认长度都是10

不同点：

• Vector是线程安全的，因为方法上加了Synchronized
• 扩容容量，Vector是两倍，ArrayList是1.5倍

二、LinkedList

• LinkedList是一个双向链表实现的List
• LinkedList是一个双端队列，可以实现队列、双端队列、栈的特点
• 包含头、尾引用

LinkedList对于查找的优化

若index < 双向链表长度的1/2，则从前向后查找; 否则，从后向前查找。

public E get(int index) 

    checkElementIndex(index);
    return node(index).item;


Node<E> node(int index) 

  // assert isElementIndex(index);

    if (index < (size >> 1)) 
        Node<E> x = first;
        for (int i = 0; i < index; i++)
            x = x.next;
        return x;
     else 
        Node<E> x = last;
        for (int i = size - 1; i > index; i--)
            x = x.prev;
        return x;
    

三、CopyOnWriteArrayList(有一个属性是ReentrantLock对象)

CopyOnWriteArrayList会使用ReentrantLock进行加锁。

public class CopyOnWriteArrayList<E>
    implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable

    final transient ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    private transient volatile Object[] array;
    
    public CopyOnWriteArrayList() // 构造一个空数组 setArray(new Object[0]);
    public CopyOnWriteArrayList(Collection<? extends E> c) // 将 传入的 Collection 转为Object[] 赋值给 array
	public CopyOnWriteArrayList(E[] toCopyIn) // 将传入的数组 toCopyIn 赋值给 array

add方法(会加锁)

先将数组拷贝到一个容量为之前数组容量+1的数组中，其他线程如果并发遍历的时候，可能就是遍历的是原数组，而不是新的数组。

public boolean add(E e)

public void add(int index, E element) 
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lock();
    try 
        Object[] elements = getArray();
        int len = elements.length;
        //检查越界情况
        if (index > len || index < 0)
            throw new IndexOutOfBoundsException("Index: "+index+
                                                ", Size: "+len);
        Object[] newElements;
        //移动的元素的个数
        int numMoved = len - index;
        if (numMoved == 0) //插在末尾
            newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
        else 
            newElements = new Object[len + 1];
            System.arraycopy(elements, 0, newElements, 0, index);
            System.arraycopy(elements, index, newElements, index + 1,
                             numMoved);
        
        newElements[index] = element;
        setArray(newElements);
     finally 
        lock.unlock();
    


public boolean addIfAbsent(E e) 
private boolean addIfAbsent(E e, Object[] snapshot) ---加锁的添加方法,详情看 jdk souorceCode注释

remove和add一样，先复制再删除再赋值。

get方法(未加锁)

public E get(int index) 
    return get(getArray(), index);

总结

• 1、CopyOnWriteArrayList使用ReentrantLock进行枷锁，保证线程安全。
• 2、CopyOnWriteArrayList的写操作都要先拷贝一份新数组，在新数组中做修改，修改完了再用新数组替换老数组，性能比较低下；
• 3、CopyOnWriteArrayList的读操作支持随机访问，时间复杂度为O(1)；
• 4、CopyOnWriteArrayList采用读写分离的思想，读操作不加锁，写操作加锁，且写操作占用较大内存空间，所以适用于读多写少的场合；
• CopyOnWriteArrayList只保证最终一致性，不保证实时一致性；缺陷，对于边读边写的情况，不一定能实时的读到最新的数据

Map

1.7 HashMap

put方法总结(一定要看，不在桶里面的话，先判断需不需要扩容(扩容条件：size的值是不是大于等于阈值且那个Hash桶元素不为null))

• 1、没初始化的时候进行初始化操作
• 2、如果key为null的话，往桶0中去put元素
• 3、不为null的话，计算应该放在哪个桶，遍历这个桶，如果存在key相同且hash相同的元素，修改返回原来的值，如果不存在的话。
• 4、如果值不存在的话，先判断size的值是不是大于等于阈值，如果大于且那个Hash桶元素不为null，则进行扩容，存放元素。否则直接存放元素。

get方法总结

• 1、如果key为null，则到桶0中去寻找元素
• 2、如果不为null，先计算在哪个桶，再去那个桶中去找，看是否有key相同且hash值相同的元素。

1.8HashMap

参考链接
自己整理的博客

• 最大容量为2的30次方
• 当一个桶中元素个数大于等于8的时候树化
• 当一个桶中元素小于等于6的时候转化成链表
• 当桶中元素个数达到64的时候才树化
• 有modCount属性，用于迭代时候执行快速失败操作

put函数总结(1.7 单独判断key是否为null，1.8单独判断桶是否为null)

• 1、如果没初始化的话，先初始化
• 2、如果计算出的hash桶的位置为null，那么就会直接放进去
• 3、如果不为null，如果桶的第一个元素的key值和hash值相同，则直接替换
• 4、如果第一个不为null，会判断是树还是链表，如果是树，放入树，是链表放入链表(在遍历链表的时候要注意可能要转成红黑树，要求树的长度大于等于8，如果在转树的时候桶容量小于64，则会扩容到64)。
• 5、插入之后，如果size大于阈值，则进行resize操作。

ConcurrentHashMap 1.7

put（总结，面试看懂这个即可）

定位Segment：(((h >>> segmentShift) & segmentMask) << SSHIFT) + SBASE

定位HashEntry：(((tab.length - 1) & h)) << TSHIFT) + TBASE

(先计算在哪个Entry(hash值的高sshift位和size-1进行按位与)，再计算在Entry的哪个位置

put操作(先计算在哪个Entry(hash值的高sshift位和size-1进行按位与)，再计算在Entry的哪个位置

• 1、ConcurrentHashMap中包含Segment数组，每个Segment中又包含HashEntry数组，Segment继承自ReentrantLock
  在JDK1.7中，Java使用分段锁机制实现ConcurrentHashMap，在ConcurrentHashMap对象中有一个Segment数组(Segment类继承ReentrantLock类)，即将整个Hash表划分成了多个Segment分段，即每个分段则类似于一个Hashtable，这样在执行put操作的时候首先根据hash算法定位到属于哪个Segment，然后对Segment加锁即可。因此ConcurrentHashMap在多线程并发执行的过程中实现了多线程put操作。

• 2、segmentShift用于定位参与散列运算的位数，其等于32减去sshift，使用32是因为ConcurrentHashMap的hash()方法返回的最大数是32位的,hash >>> segmentShift所以就会只剩下低sshift位为1，其余都为0，因此，求key散列到长度为ssize的Segment数组的下标j，就是求key的hash值的高sshift位，总的来说，计算在哪个Segment就是计算hash的高sshift位和hash值进行按位与。

总的来说，计算在Segment的哪个位置就是计算Segment的高sshift位与segmentMask进行按位与得到元素位于位于Segment中的下标。

@SuppressWarnings("unchecked")
public ConcurrentHashMap(int initialCapacity,
                         float loadFactor, int concurrencyLevel) 
    if (!(loadFactor > 0) || initialCapacity < 0 || concurrencyLevel <= 0)
        throw new IllegalArgumentException();
    if (concurrencyLevel > MAX_SEGMENTS)
        concurrencyLevel = MAX_SEGMENTS;
    // Find power-of-two sizes best matching arguments
    
    int sshift = 0;
    //Segment的大小，分段数组的大小，如果小于concurrencyLevel
    //会被调整成大于或等于concurrencyLevel的最小的2的N次方值来作为segments数组的长度
    //2^sshift=ssize  
    int ssize = 1; 
    while (ssize < concurrencyLevel) 
        ++sshift;
        ssize <<= 1;
    
    //一个键值对在Segment数组中下标j的计算公式为：
    //比如ssize=16,则segmentMask为1111b，
    //j = (hash >>> segmentShift) & segmentMask
  	//2^sshift=ssize  
    this.segmentShift = 32 - sshift;
    this.segmentMask = ssize - 1;
    if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)
        initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
    int c = initialCapacity / ssize;
    if (c * ssize < initialCapacity)
        ++c;
    int cap = MIN_SEGMENT_TABLE_CAPACITY;
    while (cap < c)
        cap <<= 1;
    // create segments and segments[0]
    Segment<K,V> s0 =
        new Segment<K,V>(loadFactor, (int)(cap * loadFactor),
                         (HashEntry<K,V>[])new HashEntry[cap]);
    Segment<K,V>[] ss = (Segment<K,V>[])new Segment[ssize];
    UNSAFE.putOrderedObject(ss, SBASE, s0); // ordered write of segments[0]
    this.segments = ss;

get操作(不加锁)

JDK1.7的ConcurrentHashMap的get操作是不加锁的，因为在每个Segment中定义的HashEntry数组和在每个HashEntry中定义的value和next HashEntry节点都是volatile类型的，volatile类型的变量可以保证其在多线程之间的可见性，因此可以被多个线程同时读，从而不用加锁。而其get操作步骤也比较简单，定位Segment –> 定位HashEntry –> 通过getObjectVolatile()方法获取指定偏移量上的HashEntry –> 通过循环遍历链表获取对应值。

size函数

ConcurrentHashMap的size操作的实现方法也非常巧妙，一开始并不对Segment加锁(遍历segment)，而是直接尝试将所有的Segment元素中的count相加，这样执行两次，然后将两次的结果对比，如果两次结果相等则直接返回；而如果两次结果不同，则再将所有Segment加锁，然后再执行统计得到对应的size值。

ConcurrentHashMap 1.8

sizeCtl

• 1、-1，表示有线程正在进行初始化操作
• 2、-(1 + nThreads)，表示有n个线程正在一起扩容
• 3、0，默认值，后续在真正初始化的时候使用默认容量
• 4、> 0，初始化或扩容完成后下一次的扩容门槛

put总结

• 1、如果桶数组未初始化，则初始化；
• 2、如果待插入的元素所在的桶为空，则尝试把此元素直接插入到桶的第一个位置(通过CAS，初始化的时候也使用CAS锁控制只有一个线程初始化桶数组，sizeCtl在初始化后存储的是扩容门槛)；
• 3、如果正在扩容，则当前线程一起加入到扩容的过程中；
• 4、如果待插入的元素所在的桶不为空且不在迁移元素，则锁住这个桶（分段锁）；
• 5、如果当前桶中元素以链表方式存储，则在链表中寻找该元素或者插入元素(需要判断是否要转化成红黑树)；
• 6、如果当前桶中元素以红黑树方式存储，则在红黑树中寻找该元素或者插入元素；
• 7、如果元素存在，则返回旧值；
• 8、如果元素不存在，整个Map的元素个数加1，并检查是否需要扩容（每次添加元素后，元素数量加1，并判断是否达到扩容门槛，达到了则进行扩容或协助扩容，判断是否需要扩容使用的LongAdder思想。）；

使用的锁有自旋锁+CAS+synchronized+分段锁(相当于一个Node一个锁)

为什么使用synchronized而不是ReentrantLock？

• 因为synchronized已经得到了极大地优化，在特定情况下并不比ReentrantLock差。

在判断是否需要扩容的时候，使用的是LongAdder的思想。

一些难点

（1）新桶数组大小是旧桶数组的两倍；

（2）迁移元素先从靠后的桶开始；

（3）迁移完成的桶在里面放置一ForwardingNode类型的元素，标记该桶迁移完成；

（4）迁移时根据hash&n是否等于0把桶中元素分化成两个链表或树；

（5）低位链表（树）存储在原来的位置；

（6）高们链表（树）存储在原来的位置加n的位置；

（7）迁移元素时会锁住当前桶，也是分段锁的思想；

LinkedHashMap

数组+红黑树+单链表+双向链表
要重写下面的这个函数才能实现LRU，比如重写成：

public boolean removeEldestEntry(Map.Entry<K,V>eldest)

	// 当元素个数大于了缓存的容量, 就移除元素
    return size()>this.capacity;

参考博客

public class LinkedHashMap<K,V>
    extends HashMap<K,V>
    implements Map<K,V>

重要的三个函数

• 1、afterNodeAccess
  在节点被访问后调用，主要在put已经存在的元素的或者get()时候被调用，如果accessOrder为true，调用这个方法把访问到的节点移动到双向链表的末尾
• 2、afterNodeInsertion
  在HashMap的putVal方法中被调用，可以看到HashMap中这个方法的实现为空，如果evict为true，则移除最老的头节点。
• 3、afterNodeRemoval
  在节点被删除的时候调用，从双链表中将节点删除。

//HashMap 中,这三个方法都是没实现的,在 LinkedHashMap 中实现来维护结点顺序
//
void afterNodeAccess(Node<K,V> p)  
void afterNodeInsertion(boolean evict)  
void afterNodeRemoval(Node<K,V> p)  

//LinkedHashMap
/*
	在节点访问之后被调用，主要在put()已经存在的元素或get()时被调用，
	如果accessOrder为true，调用这个方法把访问到的节点移动到双向链表的末尾。
*/
void afterNodeAccess(Node<K,V> e)  // move node to last
    LinkedHashMap.Entry<K,V> last;
    // accessOrder = true则执行,否则结束
    // accessOrder = true, e 不是 tail 尾结点
    if (accessOrder && (last = tail) != e) 
        LinkedHashMap.Entry<K,V> p =
            (LinkedHashMap.Entry<K,V>)e, b = p.before, a = p.after;
        p.after = null;
        if (b == null)
            head = a;
        else
            b.after = a;
        if (a != null)
            a.before = b;
        else
            last = b;
        if (last == null)
            head = p;
        else 
            p.before = last;
            last.after = p;
        
        tail = p;
        ++modCount;
    


/*
	在节点插入之后做些什么，在HashMap中的putVal()方法中被调用，可以看到HashMap中这个方法的实现为空。
	evict:驱逐的意思
	如果 evict 为 true,则移除最老的元素(head)
	默认removeEldestEntry()方法返回false，也就是不删除元素。
*/
void afterNodeInsertion(boolean evict)  // possibly remove eldest
    LinkedHashMap.Entry<K,V> first;
    //如果evict为true，且头节点不为空，且 确定移除最老的元素,即移除 head    
    //head 为 双向链表的头结点
    if (evict && (first = head) != null && removeEldestEntry(first)) 
        K key = first.key;
        //HashMap.removeNode()从HashMap中把这个节点移除之后，会调用 afterNodeRemoval() 方法；
        removeNode(hash(key), key, null, false, true);
    

//传进来的参数 是 双向链表的头结点 (即最老的结点)
protected boolean removeEldestEntry(Map.Entry<K,V> eldest) 
    return false;


/*
	在节点被删除之后调用的方法 afterNodeInsertion -> HashMap.removeNode() -> afterNodeRemoval
	从双向链表中 删除结点 e
*/
void afterNodeRemoval(Node<K,V> e)  // unlink
    LinkedHashMap.Entry<K,V> p =
        (LinkedHashMap.Entry<K,V>)e, b = p.before, a = p.after;
    // 把节点p从双向链表中删除。
    p.before = p.after = null;
    if (b == null)
        head = a;
    else
        b.after = a;
    if (a == null)
        tail = b;
    else
        a.before = b;


/*
	因此使用 LinkedHashMap 实现 LRU, 
	1) 设置 accessOrder 为 true --> 把最近访问的结点移动到尾部
	2) 重写 removeEldestEntry 方法  --> 返回 true 会删除该结点, false 不删除
*/

总结

（1）LinkedHashMap继承自HashMap，具有HashMap的所有特性；

（2）LinkedHashMap内部维护了一个双向链表存储所有的元素；

（3）如果accessOrder为false，则可以按插入元素的顺序遍历元素；

（4）如果accessOrder为true，则可以按访问元素的顺序遍历元素；

（5）LinkedHashMap的实现非常精妙，很多方法都是在HashMap中留的钩子（Hook），直接实现这些Hook就可以实现对应的功能了，并不需要再重写put()等方法；

（6）默认的LinkedHashMap并不会移除旧元素，如果需要移除旧元素，则需要重写removeEldestEntry()方法设定移除策略；

（7）LinkedHashMap可以用来实现LRU缓存淘汰策略；

使用LinkedHashMap实现LRU

LinkedHashMap如何实现LRU缓存淘汰策略呢？

首先，我们先来看看LRU是个什么鬼。LRU，Least Recently Used，最近最少使用，也就是优先淘汰最近最少使用的元素。

如果使用LinkedHashMap，我们把accessOrder设置为true是不是就差不多能实现这个策略了呢？答案是肯定的。请看下面的代码：

public class LRUTest

	public static void main(String[] args)
	
		LRU<Integer,Integer> lru = new LRU(5,0.75f);
		lru.put(1,1);
		lru.put(2,2);
		lru.put(3,3);
		lru.put(4,4);
		lru.put(5,5);
		lru.put(6,6);
		lru.put(7,7);
		System.out.println(lru.get(4));
		lru.put(6,666);
		System.out.println(lru);
	

class LRU extends LinkedHashMap<K,V>

	private int capacity;
	public LRU(int capacity,int loadFactor)
	
		super(capacity,loadFactor,true);
		this.capacity = capacity;
	
	/**
	* 重写removeEldestEntry()方法设置何时移除旧元素
    * @param eldest
    * @return 
	*/
	public boolean removeEldestEntry(Map.Entry<K,V>eldest)
	
		// 当元素个数大于了缓存的容量, 就移除元素
        return size()>this.capacity;