JDK提供了大量?jī)?yōu)秀的集合實(shí)現(xiàn)供開(kāi)發(fā)者使用，合格的程序員必須要能夠通過(guò)功能場(chǎng)景和性能需求選用最合適的集合，這就要求開(kāi)發(fā)者必須熟悉Java的常用集合類(lèi)。本文將就Java Collections Framework中常用的集合及其特點(diǎn)、適用場(chǎng)景、實(shí)現(xiàn)原理進(jìn)行介紹，供學(xué)習(xí)者參考。當(dāng)然，要真正深入理解Java的集合實(shí)現(xiàn)，還是要推薦去閱讀JDK的源碼。

Java提供的眾多集合類(lèi)由兩大接口衍生而來(lái)：Collection接口和Map接口

Collection接口

Collection接口定義了一個(gè)包含一批對(duì)象的集合。接口的主要方法包括：

size() - 集合內(nèi)的對(duì)象數(shù)量
add(E)/addAll(Collection) - 向集合內(nèi)添加單個(gè)/批量對(duì)象
remove(Object)/removeAll(Collection) - 從集合內(nèi)刪除單個(gè)/批量對(duì)象
contains(Object)/containsAll(Collection) - 判斷集合中是否存在某個(gè)/某些對(duì)象
toArray() - 返回包含集合內(nèi)所有對(duì)象的數(shù)組
等

Map接口

Map接口在Collection的基礎(chǔ)上，為其中的每個(gè)對(duì)象指定了一個(gè)key，并使用Entry保存每個(gè)key-value對(duì)，以實(shí)現(xiàn)通過(guò)key快速定位到對(duì)象(value)。Map接口的主要方法包括：

size() - 集合內(nèi)的對(duì)象數(shù)量
put(K,V)/putAll(Map) - 向Map內(nèi)添加單個(gè)/批量對(duì)象
get(K) - 返回Key對(duì)應(yīng)的對(duì)象
remove(K) - 刪除Key對(duì)應(yīng)的對(duì)象
keySet() - 返回包含Map中所有key的Set
values() - 返回包含Map中所有value的Collection
entrySet() - 返回包含Map中所有key-value對(duì)的EntrySet
containsKey(K)/containsValue(V) - 判斷Map中是否存在指定key/value
等

在了解了Collection和Map兩大接口之后，我們?cè)賮?lái)看一下這兩個(gè)接口衍生出來(lái)的常用集合類(lèi)：

List類(lèi)集合

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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(guò)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
等

List接口的常用實(shí)現(xiàn)類(lèi)：

ArrayList

ArrayList基于數(shù)組來(lái)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(lái)實(shí)現(xiàn)指定位置的插入和刪除：

插入：

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刪除：

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LinkedList

LinkedList基于鏈表來(lái)實(shí)現(xiàn)集合的功能，其實(shí)現(xiàn)了靜態(tài)類(lèi)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(guò)程示例：

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ArrayList vs LinkedList

ArrayList的隨機(jī)訪問(wèn)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(kāi)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(xiě)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(xiě)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(lèi)似讀寫(xiě)分離，適合讀多寫(xiě)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(xiě)操作正在進(jìn)行中且并未完成，此時(shí)的讀操作無(wú)法保證能讀到這個(gè)寫(xiě)操作的結(jié)果。

Vector vs CopyOnWriteArrayList

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(xiě)結(jié)果，但無(wú)法像Vector一樣實(shí)現(xiàn)讀操作的【等待寫(xiě)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(lèi)集合

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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。

每一個(gè)Map根據(jù)其自身特點(diǎn)，都有不同的Entry實(shí)現(xiàn)，以對(duì)應(yīng)Map的內(nèi)部類(lèi)形式出現(xiàn)。

前文已經(jīng)對(duì)Map接口的基本特點(diǎn)進(jìn)行過(guò)描述，我們直接來(lái)看一下Map接口的常用實(shí)現(xiàn)類(lèi)

HashMap

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

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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(guò)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(shuō)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。

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HashMap的Entry類(lèi)：

static class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
final K key;
V value;
Entry<K,V> next;
int hash;
}
HashMap由于其快速尋址的特點(diǎn)，可以說(shuō)是最經(jīng)常被使用的Map實(shí)現(xiàn)類(lèi)

Hashtable

Hashtable 可以說(shuō)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(guò)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。

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Hashtable 在進(jìn)行讀寫(xiě)操作時(shí)會(huì)鎖住整個(gè)Entry數(shù)組，這就導(dǎo)致數(shù)據(jù)越多性能越差。而ConcurrentHashMap使用分離鎖的思路解決并發(fā)性能，其將 Entry數(shù)組拆分至16個(gè)Segment中，以哈希算法決定Entry應(yīng)該存儲(chǔ)在哪個(gè)Segment。這樣就可以實(shí)現(xiàn)在寫(xiě)操作時(shí)只對(duì)一個(gè)Segment 加鎖，大幅提升了并發(fā)寫(xiě)的性能。

在進(jìn)行讀操作時(shí)，ConcurrentHashMap在絕大部分情況下都不需要加鎖，其Entry中的value是volatile的，這保證了value被修改時(shí)的線程可見(jiàn)性，無(wú)需加鎖便能實(shí)現(xiàn)線程安全的讀操作。

ConcurrentHashMap的HashEntry類(lèi)：

static final class HashEntry<K,V> {
final int hash;
final K key;
volatile V value;
volatile HashEntry<K,V> next;
}
但是魚(yú)與熊掌不可兼得，ConcurrentHashMap的高性能是有代價(jià)的（否則Hashtable就沒(méi)有存在價(jià)值了），那就是它不能保證讀操作的絕對(duì) 一致性。ConcurrentHashMap保證讀操作能獲取到已存在Entry的value的最新值，同時(shí)也能保證讀操作可獲取到已完成的寫(xiě)操作的內(nèi)容，但如果寫(xiě)操作是在創(chuàng)建一個(gè)新的Entry，那么在寫(xiě)操作沒(méi)有完成時(shí)，讀操作是有可能獲取不到這個(gè)Entry的。

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(wèn)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(xiě)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(méi)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(lèi)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。

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TreeMap

TreeMap是基于紅黑樹(shù)實(shí)現(xiàn)的Map結(jié)構(gòu)，其Entry類(lèi)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(shù)實(shí)際是一種算法復(fù)雜但高效的平衡二叉樹(shù)，具備二叉樹(shù)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：

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如上圖所示，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(guò)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(wú)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(lèi)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(lèi)型Map的，簡(jiǎn)單地說(shuō)，Set是閹割版的Map。每一個(gè)Set內(nèi)都有一個(gè)同類(lèi)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，此處不再贅述。

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Queue/Deque類(lèi)集合

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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(mǎn)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(lèi)：

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(lèi)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×××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(mǎn)，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×××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(shuō)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(lèi)包括LinkedList（前文已描述過(guò)）、ConcurrentLinkedDeque、LinkedBlockingDeque，其實(shí)現(xiàn)機(jī)制與前文所述的ConcurrentLinkedQueue和LinkedBlockingQueue非常類(lèi)似，此處不再贅述

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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的JAVA集合框架中的常用集合及其特点、适用场景、实现原理简介的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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