Java中的集合

一 集合

Java中的集合分为两大类Collection接口，与Map接口。

1.1 Iterable与Iterator

• Iterable接口是单列集合的最高级。

public interface Iterable<T> {

    // 返回一个迭代器对象
    Iterator<T> iterator();

    // 对Iterable的每个元素执行给定的操作，直到处理完所有元素或该操作引发异常。
    default void forEach(Consumer<? super T> action) {
        Objects.requireNonNull(action);
        for (T t : this) {
            action.accept(t);
        }
    }

    // 并行遍历迭代器
    default Spliterator<T> spliterator() {
        return Spliterators.spliteratorUnknownSize(iterator(), 0);
    }
}

• Iterator迭代器对象

public interface Iterator<E> {

    // 是否有下一个元素
    boolean hasNext();

   // 下一个元素
    E next();

    // 从基础集合中移除此迭代器返回的最后一个元素（可选操作）
    default void remove() {
        throw new UnsupportedOperationException("remove");
    }

  // 对每个剩余元素执行给定的操作，直到所有元素都已处理
    default void forEachRemaining(Consumer<? super E> action) {
        Objects.requireNonNull(action);
        while (hasNext())
            action.accept(next());
    }
}

1.2 Collection接口

• 在add方法加上断点调试

/**
 * @Author shu
 * @Date: 2022/02/25/ 9:22
 * @Description
 **/
public class ArrayListTest {
    public static void main(String[] args) {
        ArrayList<Integer> list =new ArrayList<>();
        for (int i = 0; i < 15; i++) {
            list.add(i);
        }
    }
}

public interface Collection<E> extends Iterable<E> {
    // 返回集合大小
    int size();
    // 是否为空
    boolean isEmpty();
    // 是否包含这个元素
    boolean contains(Object o);
    // 迭代器
    Iterator<E> iterator();
    // 转换成数组
    Object[] toArray();
    // 增加一个元素
    boolean add(E e);
    // 移除一个元素
    boolean remove(Object o);
    // 包含一个数组对象
    boolean containsAll(Collection<?> c);
    // 增加一个数组对象
    boolean addAll(Collection<? extends E> c);
    // 移除一个数组对象
    boolean removeAll(Collection<?> c);
    // 并行遍历
    @Override
    default Spliterator<E> spliterator() {
        return Spliterators.spliterator(this, 0);
    }
    // 流计算
    default Stream<E> stream() {
        return StreamSupport.stream(spliterator(), false);
    }
    // 并行流
    default Stream<E> parallelStream() {
        return StreamSupport.stream(spliterator(), true);
    }
}

1.2.1 ArrayList

1.2.1.1 重要参数

    // 初始化容器容量
    private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;

    // 空数组
    private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};

    // 用于默认大小的空实例的共享空数组实例。
    private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};

    // 缓存数组，用于扩容
    transient Object[] elementData; // non-private to simplify nested class access

    // 大小
    private int size;

1.2.1.2 构造器

// 指定了初始化容量,就以指定容量初始化
public ArrayList(int initialCapacity) {
        if (initialCapacity > 0) {

            this.elementData = new Object[initialCapacity];
        } else if (initialCapacity == 0) {
            this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
        } else {
            throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+
                                               initialCapacity);
        }
    }

// 无参构造器
 public ArrayList() {
        this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
    }

// 指定集合
public ArrayList(Collection<? extends E> c) {
        elementData = c.toArray();
        if ((size = elementData.length) != 0) {
            // c.toArray might (incorrectly) not return Object[] (see 6260652)
            if (elementData.getClass() != Object[].class)
                elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class);
        } else {
            // replace with empty array.
            this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
        }
    }

1.2.1.3扩容过程

ArrayList在调用无参构造方法时创建的是一个长度为0的空数组，当调用add()方法添加元素时，ArrayList才会触发扩容机制

public boolean add(E e) {
        // 检查是否扩容
        ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
        elementData[size++] = e;
        return true;
    }


private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
        // 是否为空数组
        if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
            // 最大值，默认10
            minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
        }
        // 确定是否真正的扩容
        ensureExplicitCapacity(minCapacity);
    }


private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
        // 当前集合修改的次数
        modCount++;

        // 说明容量不够了
        if (minCapacity - elementData.length > 0)
            // 进行扩容操作
            grow(minCapacity);
    }

/**
先将旧容量右移1位，再加上旧容量就得到了新容量，正数右移1位相当于除以2，在该基础上加旧容量，则等价于新容量 = 旧容量 * 1.5，所以才有ArrayList每次扩容为旧容量的1.5倍的说法，最后调用Arrays.copyOf()方法进行拷贝，并将elementData指向新数组，而旧数组因为没有引用指向它，很快就会被垃圾收集器回收掉。
**/
 private void grow(int minCapacity) {
        // overflow-conscious code
        int oldCapacity = elementData.length;
        // 位移运算，向右移动以为除以2
        // 默认为10 ，新数组容量为10+5=15
        int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
        if (newCapacity - minCapacity < 0)
            newCapacity = minCapacity;
        if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
            newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
        // minCapacity is usually close to size, so this is a win:
        // 复制成新数组，保留原来的元素
        elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
    }

1.2.1.4 增加方法

    public boolean add(E e) {
        // 确保内部容量是否够
        ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
        // 增加新元素
        elementData[size++] = e;
        return true;
    }

1.2.1.5 总结

1.2.2 Vector

• 在add方法加上断点调试

package Collection;
import java.util.Vector;


/**
 * @Author shu
 * @Date: 2022/02/25/ 9:30
 * @Description
 **/

public class VectorTest {
    public static void main(String[] args) {
        Vector<Integer> list =new Vector<>();
        for (int i = 0; i < 15; i++) {
            list.add(i);
        }
    }
}

1.2.2.1 重要参数

    // 缓存数组，用于扩容
    protected Object[] elementData;

    // 计算缓存数组大小
    protected int elementCount;

    // 缓存数组大小
    protected int capacityIncrement;

1.2.2.2 构造器

 // 构造一个具有指定初始容量和容量增量的空向量。
public Vector(int initialCapacity, int capacityIncrement) {
        super();
        if (initialCapacity < 0)
            throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+
                                               initialCapacity);
        this.elementData = new Object[initialCapacity];
        this.capacityIncrement = capacityIncrement;
    }

 // 指定了初始化容量
public Vector(int initialCapacity) {
        this(initialCapacity, 0);
    }



// 无参构造，默认初始化容量为10
public Vector() {
        this(10);
    }

1.2.2.3 扩容过程

// synchronized关键字修饰，线程安全
public synchronized boolean add(E e) {
    // 修改次数
        modCount++;
    // 是否需要扩容
        ensureCapacityHelper(elementCount + 1);
        elementData[elementCount++] = e;
        return true;
    }

// 扩容
 private void ensureCapacityHelper(int minCapacity) {
        // 计算是否扩容
        if (minCapacity - elementData.length > 0)
            grow(minCapacity);
    }

// 具体扩容过程
  private void grow(int minCapacity) {
        // overflow-conscious code
        int oldCapacity = elementData.length;
        // 扩容为原来的两倍
        int newCapacity = oldCapacity + ((capacityIncrement > 0) ?
                                         capacityIncrement : oldCapacity);
        if (newCapacity - minCapacity < 0)
            newCapacity = minCapacity;
        if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
            newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
      // 复制成新数组，保留原来的元素
        elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
    }

1.2.2.4 总结

1.2.3 LinkedList

package Collection;

import java.util.LinkedList;

/**
 * @Author shu
 * @Date: 2022/02/25/ 9:44
 * @Description
 **/
public class LinkListTest {
    public static void main(String[] args) {
        LinkedList<Integer> list =new LinkedList<>();
        for (int i = 0; i < 15; i++) {
            list.add(i);
        }
    }
}

1.2.3.1 重要属性

 private static class Node<E> {
        // 节点内容
        E item;
        // 节点上一个指向
        Node<E> next;
        // 节点上一个指向
        Node<E> prev;

        Node(Node<E> prev, E element, Node<E> next) {
            this.item = element;
            this.next = next;
            this.prev = prev;
        }
    }


    transient int size = 0;

    // 指向第一个节点的指针。
    transient Node<E> first;

    // 指向最后一个节点的指针。
    transient Node<E> last;

1.2.3.2 基本方法

    // 获取第一个元素
    public E getFirst() {
        final Node<E> f = first;
        if (f == null)
            throw new NoSuchElementException();
        return f.item;
    }

    // 获取最后一个元素
    public E getLast() {
        final Node<E> l = last;
        if (l == null)
            throw new NoSuchElementException();
        return l.item;
    }

    // 移除第一个元素
    public E removeFirst() {
        final Node<E> f = first;
        if (f == null)
            throw new NoSuchElementException();
        return unlinkFirst(f);
    }

   // 移除最后一个元素
    public E removeLast() {
        final Node<E> l = last;
        if (l == null)
            throw new NoSuchElementException();
        return unlinkLast(l);
    }

    // 增加第一个元素
    public void addFirst(E e) {
        linkFirst(e);
    }

    // 增加最后一个元素
    public void addLast(E e) {
        linkLast(e);
    }

    // 增加一个元素
    public boolean add(E e) {
        linkLast(e);
        return true;
    }

1.2.3.3 基本执行流程

  public boolean add(E e) {
        linkLast(e);
        return true;
    }


    /**
     * Links e as last element.第一次的话，first,next都指向一个node
     */
    void linkLast(E e) {
        final Node<E> l = last;
        final Node<E> newNode = new Node<>(l, e, null);
        last = newNode;
        if (l == null)
            first = newNode;
        else
            l.next = newNode;
        size++;
        modCount++;
    }


    /**
     * Unlinks non-null first node f.
     */
    private E unlinkFirst(Node<E> f) {
        // assert f == first && f != null;
        //获取元素信息
        final E element = f.item;
        // 获取下一个节点元素
        final Node<E> next = f.next;
        // 赋值为空
        f.item = null;
        f.next = null; // help GC
        // 上一个元素指向一个元素
        first = next;
        if (next == null)
            last = null;
        else
            next.prev = null;
        size--;
        modCount++;
        return element;
    }

1.2.3.4 总结

1.3 Set接口

public interface Set<E> extends Collection<E> {
    // 大小
    int size();
    // 是否为空
    boolean isEmpty();
    // 包含元素
    boolean contains(Object o);
    // 迭代器
    Iterator<E> iterator();
    // 转换成数组
    Object[] toArray();
    // 添加元素
    boolean add(E e);
    // 移除元素
    boolean remove(Object o);

    boolean containsAll(Collection<?> c);


    boolean addAll(Collection<? extends E> c);


    boolean retainAll(Collection<?> c);

    boolean removeAll(Collection<?> c);

    void clear();

    boolean equals(Object o);


    int hashCode();


    @Override
    default Spliterator<E> spliterator() {
        return Spliterators.spliterator(this, Spliterator.DISTINCT);
    }
}

1.3.1 HashSet

package Set;
import java.util.HashSet;

/**
 * @Author shu
 * @Date: 2022/02/25/ 10:47
 * @Description
 **/
public class HashSetTest {
    public static void main(String[] args) {
        HashSet<Object> hashSet = new HashSet<>();
        hashSet.add("hhhh");
        hashSet.add("bbb");
    }
}

1.3.1.1构造器

从构造器中可以看出其底层实际是HashMap

 public HashSet() {
        map = new HashMap<>();
    }

 public HashSet(Collection<? extends E> c) {
        map = new HashMap<>(Math.max((int) (c.size()/.75f) + 1, 16));
        addAll(c);
    }

 public HashSet(int initialCapacity, float loadFactor) {
        map = new HashMap<>(initialCapacity, loadFactor);
    }

1.3.1.2 添加流程

• 基本流程，add方法进行断点调式，添加第一个元素

// 添加方法
public boolean add(E e) {
        // PRENTMap 中的对象关联的虚拟值
        return map.put(e, PRESENT)==null;
    }


public V put(K key, V value) {
        return putVal(hash(key), key, value, false, true);
    }

// 进行Hash计算
static final int hash(Object key) {
        int h;
        // 采用位运算，避免指针碰撞
        return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
 }

final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
                   boolean evict) {
        Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
        // 判断数组是否为空，长度是否为0，是则进行扩容数组初始化
        if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
            n = (tab = resize()).length;
        // 通过hash算法找到数组下标得到数组元素，为空则新建
        if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
            tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
        else {
            Node<K,V> e; K k;
             // 找到数组元素，hash相等同时key相等，则直接覆盖
            if (p.hash == hash &&
                ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                e = p;
            // 该数组元素在链表长度>8后形成红黑树结构的对象
            else if (p instanceof TreeNode)
                e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
            else {
                // 该数组元素hash相等，key不等，同时链表长度<8.进行遍历寻找元素，有就覆盖无则新建
                for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
                    if ((e = p.next) == null) {
                        // 新建链表中数据元素
                        p.next = newNode(hash, key, value, null);
                        if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
                            // 链表长度>=8 结构转为 红黑树
                            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;
        if (++size > threshold)
            resize();
        afterNodeInsertion(evict);
        return null;
    }



/**
初始化或加倍表大小。如果为空，则按照字段阈值中保存的初始容量目标进行分配。否则，因为我们使用二次幂展开，每个 bin 中的元素必须保持相同的索引，或者在新表中以二次幂的偏移量移动
**/
final Node<K,V>[] resize() {

        Node<K,V>[] oldTab = table;

        int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;
        // 临界值=（容量）*（负载因子）
        int oldThr = threshold;

        int newCap, newThr = 0;

        if (oldCap > 0) {
            if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
                threshold = Integer.MAX_VALUE;
                return oldTab;
            }
            else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&
                     oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
                newThr = oldThr << 1; // double threshold
        }

        else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold
            newCap = oldThr;
        // 第一次初始化
        else {
            // table默认16
            newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;
            // 临界值：临界值=（容量）*（负载因子）=16*0.75=12
            newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);
        }
        if (newThr == 0) {
            float ft = (float)newCap * loadFactor;
            newThr = (newCap < MAXIMUM_CAPACITY && ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY ?
                      (int)ft : Integer.MAX_VALUE);
        }
        //临界值
        threshold = newThr;
        @SuppressWarnings({"rawtypes","unchecked"})
            Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap];
        // 表结构初始化完毕，并返回
        table = newTab;
        if (oldTab != null) {
            for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {
                Node<K,V> e;
                if ((e = oldTab[j]) != null) {
                    oldTab[j] = null;
                    if (e.next == null)
                        newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;
                    else if (e instanceof TreeNode)
                        ((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);
                    else { // preserve order
                        Node<K,V> loHead = null, loTail = null;
                        Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null;
                        Node<K,V> next;
                        do {
                            next = e.next;
                            if ((e.hash & oldCap) == 0) {
                                if (loTail == null)
                                    loHead = e;
                                else
                                    loTail.next = e;
                                loTail = e;
                            }
                            else {
                                if (hiTail == null)
                                    hiHead = e;
                                else
                                    hiTail.next = e;
                                hiTail = e;
                            }
                        } while ((e = next) != null);
                        if (loTail != null) {
                            loTail.next = null;
                            newTab[j] = loHead;
                        }
                        if (hiTail != null) {
                            hiTail.next = null;
                            newTab[j + oldCap] = hiHead;
                        }
                    }
                }
            }
        }
        return newTab;
    }

重点理解

 final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
                   boolean evict) {

        Node<K,V>[] tab;
        Node<K,V> p;
        int n, i;

        if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
            n = (tab = resize()).length;

        if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
            tab[i] = newNode(hash, key, value, null);

        // 重复元素
        else {
            Node<K,V> e;
            K k;
            // (1)准备加入的key 和p指向的Node 结点的key 是同一个对象
            // (2) p指向的Node 结点的key 的equals()和准备加入的key比较后相同
            if (p.hash == hash &&
                ((k = p.key) == key
                 || (key != null && key.equals(k))))
                // 将节点
                e = p;

            // 是不是一颗红黑树
            else if (p instanceof TreeNode)
                e = ((TreeNode<K,V>)p)
                .putTreeVal(this, tab, hash, key, value);

            else
            {
                // 加入链表后面
                // 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
                for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
                    if ((e = p.next) == null) {
                        p.next = newNode(hash, key, value, null);
                        if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
                            // 是否转成红黑树，table的size大于64
                            // if (tab == null || (n = tab.length) < MIN_TREEIFY_CAPACITY)
                            treeifyBin(tab, hash);
                        break;
                    }
                  // 依次和该链表的每六个元素比较过程中，如果有相同情况,就break
                    if (e.hash == hash &&
                        ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                        break;
                    p = e;
                }
            }

            // 返回旧数据
            if (e != null) { // existing mapping for key
                V oldValue = e.value;
                if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
                    e.value = value;
                afterNodeAccess(e);
                return oldValue;
            }
        }

        ++modCount;
        if (++size > threshold)
            resize();
        afterNodeInsertion(evict);

        return null;

    }

1.3.1.3 总结

• 首选判断table是否为空，数组长度为空，将会进行第一次初始化。（在实例化HashMap是，并不会进行初始化数组）。
• 进行第一次resize()扩容之后。开始通过hash算法寻址找到数组下标。若数组元素为空，则创建新的数组元素。若数组元素不为空，同时hash相等，key不相等，同时不是TreeNode数据对象，将遍历该数组元素下的链表元素。若找到对应的元素，则覆盖，如果没有找到，就新建元素，放入上一个链表元素的next中，在放入元素之后，如果条件满足"链表元素长度>8"，则将该链表结构转为"红黑树结构"。
• 找到对应的数组元素或者链表元素，同时创建新的数据元素或者覆盖元素之后。如果条件满足元素大小size>允许的最大元素数量threshold，则再一次进行扩容操作。每次扩容操作，新的数组大小将是原始的数组长度的两倍。
• put操作完成。

1.3.2 LinkedHashSet

package Set;

import java.util.LinkedHashSet;

/**
 * @Author shu
 * @Date: 2022/02/28/ 9:41
 * @Description
 **/
public class LinkedHashSetTest {
    public static void main(String[] args) {
        LinkedHashSet<Integer> hashSet=new LinkedHashSet<>();
        hashSet.add(1);
        hashSet.add(2);
        hashSet.add(3);
    }
}

1.3.2.1 构造器

我们可以看出LinkHashSet 其实是LinkedHashMap

 public LinkedHashSet(int initialCapacity) {
        super(initialCapacity, .75f, true);
    }
// 初始化容量16 ，负载因子0.75f
    public LinkedHashSet() {
        super(16, .75f, true);
    }

   HashSet(int initialCapacity, float loadFactor, boolean dummy) {
        map = new LinkedHashMap<>(initialCapacity, loadFactor);
    }

1.3.2.2 数据节点类型 Entry

    /**
     * HashMap.Node subclass for normal LinkedHashMap entries.
     */
    static class Entry<K,V> extends HashMap.Node<K,V> {
        Entry<K,V> before, after;
        Entry(int hash, K key, V value, Node<K,V> next) {
            super(hash, key, value, next);
        }
    }

1.3.2.3 添加元素

// 调用添加方法
public boolean add(E e) {
        return map.put(e, PRESENT)==null;
    }
// 调用Map添加方法
 public V put(K key, V value) {
        return putVal(hash(key), key, value, false, true);
    }
// 计算Hadh值
static final int hash(Object key) {
        int h;
        return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
    }

真正添加元素
final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
                   boolean evict) {

        Node<K,V>[] tab;
        Node<K,V> p;
        int n, i;

        if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
            n = (tab = resize()).length;

        if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
            tab[i] = newNode(hash, key, value, null);

        // 重复元素
        else {
            Node<K,V> e;
            K k;
            // (1)准备加入的key 和p指向的Node 结点的key 是同一个对象
            // (2) p指向的Node 结点的key 的equals()和准备加入的key比较后相同
            if (p.hash == hash &&
                ((k = p.key) == key
                 || (key != null && key.equals(k))))
                // 将节点
                e = p;

            // 是不是一颗红黑树
            else if (p instanceof TreeNode)
                e = ((TreeNode<K,V>)p)
                .putTreeVal(this, tab, hash, key, value);

            else
            {
                // 加入链表后面
                // 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
                for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
                    if ((e = p.next) == null) {
                        p.next = newNode(hash, key, value, null);
                        if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
                            // 是否转成红黑树，table的size大于64
                            // if (tab == null || (n = tab.length) < MIN_TREEIFY_CAPACITY)
                            treeifyBin(tab, hash);
                        break;
                    }
                  // 依次和该链表的每六个元素比较过程中，如果有相同情况,就break
                    if (e.hash == hash &&
                        ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                        break;
                    p = e;
                }
            }

            // 返回旧数据
            if (e != null) { // existing mapping for key
                V oldValue = e.value;
                if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
                    e.value = value;
                afterNodeAccess(e);
                return oldValue;
            }
        }

        ++modCount;
        if (++size > threshold)
            resize();
        afterNodeInsertion(evict);

        return null;

    }

1.2.3.4 总结

• 哈希表和链表实现的Set接口， 具有可预测的迭代次序;
• 由链表保证元素有序，也就是说元素的存储和取出顺序是一致的;
• 由哈希表保证元素唯一， 也就是说没有重复的元素;

1.3.4 TreeSet

TreeMap：基于红黑二叉树的NavigableMap的实现，线程非安全，不允许null，key不可以重复，value允许重复，存入TreeMap的元素应当实现Comparable接口或者实现Comparator接口，会按照排序后的顺序迭代元素，两个相比较的key不得抛出classCastException。主要用于存入元素的时候对元素进行自动排序，迭代输出的时候就按排序顺序输出

1.3.4.1 构造器

TreeSet(NavigableMap<E,Object> m) {
        this.m = m;
    }

// 由无参构造器可以看出底层是TreeMap
public TreeSet() {
        this(new TreeMap<E,Object>());
    }

public TreeSet(Comparator<? super E> comparator) {
        this(new TreeMap<>(comparator));
    }

1.3.4.2 树节点

 static final class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
        K key;
        V value;
        Entry<K,V> left;
        Entry<K,V> right;
        Entry<K,V> parent;
        boolean color = BLACK;

        /**
         * Make a new cell with given key, value, and parent, and with
         * {@code null} child links, and BLACK color.
         */
        Entry(K key, V value, Entry<K,V> parent) {
            this.key = key;
            this.value = value;
            this.parent = parent;
        }
 }

1.3.2.3 增加方法

public V put(K key, V value) {
      //定义一个数节点来保存根元素
        Entry<K,V> t = root;
        //如果t==null，表明是一个空链表
        if (t == null) {
        //如果根节点为null，将传入的键值对构造成根节点（根节点没有父节点，所以传入的父节点为null）
            root = new Entry<K,V>(key, value, null);
            //设置该集合的size为1
            size = 1;
            //修改此时+1
            modCount++;
            return null;
        }
        // 记录比较结果
        int cmp;
        Entry<K,V> parent;
        // 分割比较器和可比较接口的处理
        Comparator<? super K> cpr = comparator;
        // 有比较器的处理，即采用定制排序
        if (cpr != null) {
            // do while实现在root为根节点移动寻找传入键值对需要插入的位置
            do {
                //使用parent上次循环后的t所引用的Entry
                // 记录将要被掺入新的键值对将要节点(即新节点的父节点)
                parent = t;
                // 使用比较器比较父节点和插入键值对的key值的大小
                cmp = cpr.compare(key, t.key);
                // 插入的key较大
                if (cmp < 0)
                    t = t.left;
                // 插入的key较小
                else if (cmp > 0)
                    t = t.right;
                // key值相等，替换并返回t节点的value(put方法结束)
                else
                    return t.setValue(value);
            } while (t != null);
        }
        // 没有比较器的处理
        else {
            // key为null抛出NullPointerException异常
            if (key == null)
                throw new NullPointerException();
            Comparable<? super K> k = (Comparable<? super K>) key;
            // 与if中的do while类似，只是比较的方式不同
            do {
                parent = t;
                cmp = k.compareTo(t.key);
                if (cmp < 0)
                    t = t.left;
                else if (cmp > 0)
                    t = t.right;
                else
                    return t.setValue(value);
            } while (t != null);
        }
        // 没有找到key相同的节点才会有下面的操作
        // 根据传入的键值对和找到的“父节点”创建新节点
        Entry<K,V> e = new Entry<K,V>(key, value, parent);
        // 根据最后一次的判断结果确认新节点是“父节点”的左孩子还是又孩子
        if (cmp < 0)
            parent.left = e;
        else
            parent.right = e;
        // 对加入新节点的树进行调整
        fixAfterInsertion(e);
        // 记录size和modCount
        size++;
        modCount++;
        // 因为是插入新节点，所以返回的是null
        return null;
    }

1.4 Map接口

• Map集合是一个双列集合，一个元素包含两个值(一个key,一个value)
• Map集合中的元素,key和value的数据类型可以相同，也可以不同
• Map集合中的元素,key不允许重复，value可以重复
• Map集合中的元素,key和value是一一对应的
• Map为了方便程序员的遍历，还会创建 EntrySet集合，该集合存放的元素的类型 Entry，而一个Entry对象就有k,v EntrySet<Entry<K,V>>即: transient Set<Map.Entry<K,V>> entrySet

1.4.1 HashMap

package Map;

import java.util.HashMap;
import java.util.Map;

/**
 * @Author shu
 * @Version 1.0
 * @Date: 2022/04/16/ 14:05
 * @Description debug测试
 **/
public class HashMapTest {
    public static void main(String[] args) {
        Map<String,Integer> map=new HashMap<String,Integer>();
        map.put("1",101);
        map.put("2",102);
    }
}

1.4.1.1 构造器与构造器

  /** 默认容量
     * The default initial capacity - MUST be a power of two.
     */
    static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; // aka 16

     * The load factor used when none specified in constructor.
     */ 负载因子
    static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;

/**
     * Constructs an empty <tt>HashMap</tt> with the specified initial
     * capacity and the default load factor (0.75).
     *
     * @param  initialCapacity the initial capacity.
     * @throws IllegalArgumentException if the initial capacity is negative.
     */
    public HashMap(int initialCapacity) {
        this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
    }

    /**
     * Constructs an empty <tt>HashMap</tt> with the default initial capacity
     * (16) and the default load factor (0.75).
     */
    public HashMap() {
        this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; // all other fields defaulted
    }

1.4.1.2 增加过程

// 调用put方法
    public V put(K key, V value) {
        return putVal(hash(key), key, value, false, true);
    }

//
真正添加元素
final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
                   boolean evict) {

        Node<K,V>[] tab;
        Node<K,V> p;
        int n, i;
         // 默认初始容量16
        if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
            n = (tab = resize()).length;
         // 是否在tab表中存在该值
        if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
            // 不存在该值直接添加
            tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
        // 在tab表中存在该值
        else {
            Node<K,V> e;
            K k;

            // 如果加入该值的Hash值相等且key相等，就替换原来的的key对应的值
            if (p.hash == hash &&
                ((k = p.key) == key
                 || (key != null && key.equals(k))))
                // 将节点
                e = p;

            // 是不是一颗红黑树
            else if (p instanceof TreeNode)
                // 进添加到树节点中
                e = ((TreeNode<K,V>)p)
                .putTreeVal(this, tab, hash, key, value);

            else
            {
                // 加入链表后面
                // 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
                for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
                    if ((e = p.next) == null) {
                        p.next = newNode(hash, key, value, null);
                        if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
                            // 是否转成红黑树，table的size大于64
                            // if (tab == null || (n = tab.length) < MIN_TREEIFY_CAPACITY)
                            treeifyBin(tab, hash);
                        break;
                    }
                  // 依次和该链表的每六个元素比较过程中，如果有相同情况,就break
                    if (e.hash == hash &&
                        ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                        break;
                    p = e;
                }
            }

            // 返回旧数据
            if (e != null) { // existing mapping for key
                V oldValue = e.value;
                if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
                    e.value = value;
                afterNodeAccess(e);
                return oldValue;
            }
        }

        ++modCount;
        // 看大小是否达到阈值
        if (++size > threshold)
            resize();
        afterNodeInsertion(evict);

        return null;

    }

1.4.1.3 进行树化

    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();
        else if ((e = tab[index = (n - 1) & hash]) != null) {
            TreeNode<K,V> hd = null, tl = null;
            do {
                TreeNode<K,V> p = replacementTreeNode(e, null);
                if (tl == null)
                    hd = p;
                else {
                    p.prev = tl;
                    tl.next = p;
                }
                tl = p;
            } while ((e = e.next) != null);
            if ((tab[index] = hd) != null)
                hd.treeify(tab);
        }
    }

1.4.2 HashTable

1.4.2.1 构造器

初始化容量为11，阈值8

// 使用指定的初始容量和默认加载因子 (0.75) 构造一个新的空哈希表。
public Hashtable() {
        this(11, 0.75f);
    }

// 使用指定的初始容量和指定的负载因子构造一个新的空哈希表。
public Hashtable(int initialCapacity, float loadFactor) {
        if (initialCapacity < 0)
            throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+
                                               initialCapacity);
        if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor))
            throw new IllegalArgumentException("Illegal Load: "+loadFactor);

        if (initialCapacity==0)
            initialCapacity = 1;
        this.loadFactor = loadFactor;
        table = new Entry<?,?>[initialCapacity];
        threshold = (int)Math.min(initialCapacity * loadFactor, MAX_ARRAY_SIZE + 1);
    }

// 构造一个与给定 Map 具有相同映射的新哈希表。哈希表的初始容量足以容纳给定 Map 中的映射和默认加载因子 (0.75)
 public Hashtable(Map<? extends K, ? extends V> t) {
        this(Math.max(2*t.size(), 11), 0.75f);
        putAll(t);
    }

1.4.2.2 添加方法

// 指定key映射到此哈希表中的指定value 。键和值都不能为null 。
可以通过使用与原始键相同的键调用get方法来检索该值。
public synchronized V put(K key, V value) {
        // 先判断值不能为Null
        // Make sure the value is not null
        if (value == null) {
            throw new NullPointerException();
        }

        // 确报key的Hash值唯一
        Entry<?,?> tab[] = table;
        int hash = key.hashCode();
        int index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;
        @SuppressWarnings("unchecked")
        Entry<K,V> entry = (Entry<K,V>)tab[index];
        // 判断是否重复值
        for(; entry != null ; entry = entry.next) {
            // 交换值
            if ((entry.hash == hash) && entry.key.equals(key)) {
                V old = entry.value;
                entry.value = value;
                return old;
            }
        }
        // 增加到HashTable$Entry中
        addEntry(hash, key, value, index);
        return null;
    }

// 添加元素
private void addEntry(int hash, K key, V value, int index) {
        modCount++;

        Entry<?,?> tab[] = table;
        // 是否大于阈值，需要扩容
        if (count >= threshold) {
            // Rehash the table if the threshold is exceeded
            rehash();

            tab = table;
            hash = key.hashCode();
            index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;
        }
        // 真正的添加动作
        // Creates the new entry.
        @SuppressWarnings("unchecked")
        Entry<K,V> e = (Entry<K,V>) tab[index];
        tab[index] = new Entry<>(hash, key, value, e);
        count++;
    }


//增加此哈希表的容量并在内部重新组织此哈希表，以便更有效地容纳和访问其条目。当哈希表中的键数超过此哈希表的容量和负载因子时，将自动调用此方法。
protected void rehash() {
        int oldCapacity = table.length;
        Entry<?,?>[] oldMap = table;

        // 新数组的容量=旧数组长度*2+1
        int newCapacity = (oldCapacity << 1) + 1;
        // 保证新数组的大小永远小于等于MAX_ARRAY_SIZE
        // MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8
        if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0) {
            if (oldCapacity == MAX_ARRAY_SIZE)
                return;
            newCapacity = MAX_ARRAY_SIZE;
        }
        // 创建新数组
        Entry<?,?>[] newMap = new Entry<?,?>[newCapacity];

        modCount++;
        // 计算新的临界值
        threshold = (int)Math.min(newCapacity * loadFactor, MAX_ARRAY_SIZE + 1);
        table = newMap;

        // 将旧数组中的元素迁移到新数组中
        for (int i = oldCapacity ; i-- > 0 ;) {
            for (Entry<K,V> old = (Entry<K,V>)oldMap[i] ; old != null ; ) {
                Entry<K,V> e = old;
                old = old.next;

                //计算新数组下标
                int index = (e.hash & 0x7FFFFFFF) % newCapacity;
                // 头插法的方式迁移旧数组的元素
                e.next = (Entry<K,V>)newMap[index];
                newMap[index] = e;
            }
        }
    }

1.4.2.3 总结

• Hashtable扩容的数组长度是旧数组长度乘以2加1
• Hashtable采用取模的方式来计算数组下标，同时数组的长度尽量为素数或者奇数，这样的目的是为了减少Hash碰撞，计算出来的数组下标更加分散，让元素均匀的分布在数组各个位置。
• 与HashMap不同的是。在扩容时Hashtable采用头插法的方式迁移数据，使用头插法效率会更高。因为头插法减少了遍历链表的时间，效率更高。
• 虽然rehash()方法没有被synchronized修饰，这并不意味着rehash()方法非线程安全，这是因为所有调用rehash()的方法均被synchronized修饰。
• 所以即使HashMap因为线程安全问题在JDK1.8抛弃了头插法而采用高地位平移算法，Hashtable在JDK1.8仍采用头插法迁移元素，因为Hashtable为了线程安全而设计，不会存在HashMap类似的问题。
• Hashtable处于一个比较尴尬的位置，以至于官方也推荐如果不考虑线程安全，建议使用HashMap，如果考虑到同步效率，建议使用ConcurrentHashMap。

1.4.3 TreeMap

** **TreeMap继承AbstractMap，实现NavigableMap、Cloneable、Serializable三个接口。其中AbstractMap表明TreeMap为一个Map即支持key-value的集合， NavigableMap（更多）则意味着它支持一系列的导航方法，具备针对给定搜索目标返回最接近匹配项的导航方法 。 原理同上TreeSet