JAVA集合类概览

Posted 2021-08-08 拉夫德鲁

带着问题来阅读

1、Java有哪些集合

2、不同集合的应用场景分别是哪些

3、哪些实现类是线程安全的

4、为什么Java集合不能存放基本类型

5、集合的fail-fast和fail-safe是什么

Java集合概览

Java通过Java Collections Framework(JCF)为开发者提供了一系列集合接口和实现，所谓集合，就是多个Java对象的聚集。

学习过数据结构的同学们对各类集合的定义肯定不陌生，Java通过提供一系列的内置数据结构实现，为开发者提高了开发的便利性，提升了程序的兼容性，降低了编程的复杂性。

图片出自https://www.pdai.tech/md/java/collection/java-collection-all.html

Java集合包含两个顶层接口：Collection和Map，Collection是主要保存对象的集合，Map是保存键值对的集合。

下面我们对两类集合的实现做简单介绍。

Collection

Collection是Jdk1.2版本引入的接口，用于描述保存对象的集合，它的扩展接口有List、Queue、Set。

List

List以列表形式顺序存取元素，保证元素的插入顺序和存储顺序一致。

	实现	线程安全
ArrayList	数组	否
LinkedList	双向链表	否
CopyOnWriteArrayList	数组	是，使用CopyOnWrite保证线程安全
Vector	数组	是，使用Synchronized保证线程安全
Stack	数组	是，继承Vector

Vector是Jdk1.0就引入的线程安全的列表实现，早于Collection接口设计，采用直接在方法上添加Synchronized来保证线程安全，Stack是继承Vector实现的栈结构，由于其线程安全的低效性，目前在实际环境均不再推荐使用。

Queue

Queue是先进先出的结构，从队尾加入元素，队头弹出元素。其子接口Deque为双端队列，即两头都可以进出。

	实现	线程安全
ArrayDeque	循环数组	否
LinkedList	链表	否
PriorityQueue	堆	否
BlockingQueue	BlockingQueue为阻塞队列的扩展接口	是

由于BlockingQueue略为复杂，更涉及到一些进阶应用场景，留待后续讲解。

Set

Set是不重复元素集合，元素中不包含相同元素，且通常情况不保持元素插入顺序

	实现	线程安全
HashSet	哈希表	否，基于HashMap实现
TreeSet	红黑树	否，基于TreeMap实现
LinkedHashSet	哈希表+链表	否，基于LinkedHashMap实现
CopyOnWriteArraySet	数组	是，CopyOnWrite保证
ConcurrentSkipListSet	跳表	是，基于ConcurrentSkipListMap实现

Map

Map用于存储<Key, Value>键值对。

	实现	线程安全
HashMap	哈希表+红黑树	否
TreeMap	红黑树	否
LinkedHashMap	哈希表+链表+红黑树	否
WeakHashMap	哈希表	否
ConcurrentHashMap	哈希表+红黑树	是，基于节点CAS和Synchronized实现
ConcurrentSkipListMap	跳表	是

为什么Java集合不能存放基本类型

Java在1.2版本引入JCF框架，Java范型是在1.5版本引入，因此在泛型引入之前集合默认以Object作为存储类型。

以List为例
List list = new ArrayList();
list.add(123); // 自动boxing
list.add("123");
int num = (int) list.get(0);
String str = (String) list.get(1);

显而易见该方式存在缺陷，集合内可以放入任何以Object为基类的元素，而元素的获取方无法确定元素的具体类型，容易出现类型转换错误。在1.5版本引入范型以后，对集合接口进行规范，添加了范型参数，Java的泛型机制本质上还是将具体类型擦除为Object，因此泛型集合在初始化时，无法将参数指定为非Object派生的基本类型。

什么是fail-fast和fail-safe

List<String> list = new ArrayList();
list.add("123");
list.add("456");

//(1) throw ConcurrentModificationException
for (String s : list) {
	list.remove(s);
}

//(2) 正常移除
Iterator<String> it = list.iterator();
while (it.hasNext()) {
	it.next();
	it.remove();
}

//(3) throw ConcurrentModificationException
new Thread(() -> {
	for (String s : list) {
		System.out.println(s);
		try {
			TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
		} catch (InterruptedException ignore)
		{
		
		}
	}
}).start();
new Thread(() -> {list.add("789");}).start();

上面这段代码，(1) (3) 会抛出ConcurrentModificationException，(2)可以正常移除所有元素。首先了解一下ConcurrentModificationException，当对一个对象做出的并发修改不被允许时，将抛出这个异常。

This exception may be thrown by methods that have detected concurrent modification of an object when such modification is not permissible.

那么(1)是单线程执行，(3)并发添加元素也并未对已有元素做修改，为什么也会触发该异常呢。

ArrayList var1 = new ArrayList();
var1.add("123");
var1.add("456");
Iterator var2 = var1.iterator();
while(var2.hasNext()) {
     String var3 = (String)var2.next();
     var1.remove(var3);
}

对代码(1)的class文件反编译查看，发现foreach实际上是通过Iterator做的迭代，迭代过程中删除是直接调用list.remove。我们再进入到list.iterator方法探个究竟。

/** Returns an iterator over the elements in this list in proper sequence.
 *  The returned iterator is fail-fast. */
public Iterator<E> iterator() {
    return new Itr();
}

private class Itr implements Iterator<E> {
    ....
    int expectedModCount = modCount;
    ....
        
    final void checkForComodification() {
        if (modCount != expectedModCount)
            throw new ConcurrentModificationException();
    }
}

iterator方法会创建一个Itr对象，在其创时会复制modCount到expectedModCount，每进行迭代时都会判断两个值是否相同，如果不同则抛出ConcurrentModificationException。

再来看modCount是一个继承自AbstractList的成员变量，用于记录list被修改的次数，每当调用add/remove时，modCount都会加1。

// The number of times this list has been structurally modified.
protected transient int modCount = 0;

那么问题就很明显了，每当对list进行修改modCount都会改变，而foreach的iterator记录的是迭代对象创建时刻的modCount值，接下来的迭代过程中，由于调用了list的修改方法，改变了其中modCount的值，导致modCount != expectedModCount，于是就抛出了异常。(3)代码是相同的问题，不再进行赘述。

* <p><a name="fail-fast">
* The iterators returned by this class\'s {@link #iterator() iterator} and
* {@link #listIterator(int) listIterator} methods are <em>fail-fast</em>:</a>
* if the list is structurally modified at any time after the iterator is
* created, in any way except through the iterator\'s own
* {@link ListIterator#remove() remove} or
* {@link ListIterator#add(Object) add} methods, the iterator will throw a
* {@link ConcurrentModificationException}.  Thus, in the face of
* concurrent modification, the iterator fails quickly and cleanly, rather
* than risking arbitrary, non-deterministic behavior at an undetermined
* time in the future.

在所有Java集合类中，直接位于java.util下除Vector、Stack、HashTable外，所有的集合都是fail-fast的，而在java.util.concurrent下的集合都是fail-safe的，即可以并发的遍历和修改集合，具体实现由各自的线程安全机制保证。

为什么需要fail-fast

fail-fast意为快速失败，在非线程安全的集合应用场景中，并发对集合做的添加/删除，可能导致另一个正在遍历集合的线程出现未知的错误如数组越界。因此非线程安全的集合实现引入fail-fast以此来快速中断线程，避免引发未知的连锁问题。

参考

• Java集合框架详解
• 快速失败(fail-fast)与安全失败(fail-safe)