Java 容器

2022-12-10 11:25:19

date: 2020-12-09 14:22:23
updated: 2020-12-12 17:47:23

Java 容器

Collection
- List：可以重复
  - CopyOnWriteArrayList
  - Vector
  - ArrayList
  - LinkedList
- Set：不可重复
  - HashSet & LinkedHashSet：HashSet无序，哈希表；LinkedHashSet 通过链表可以实现有序
  - SortedSet & TreeSet：有序，红黑树
  - EnumSet
  - CopyOnWriteArraySet
  - ConcurrentSkipListSet
- Queue：主要是针对多线程 JUC
  - Deque：双端队列
    - ArrayDeque 实现类
    - LinkedList 实现类
    - BlockingDeque 接口 JUC重点
  - BlockingQueue：阻塞队列
    - ArrayBlockingQueue
    - PriorityBlockingQueue
    - LinkedBlockingQueue
    - TransferQueue & LinkedTransferQueue：有一定容量，但是一个生产者放进去一个值，如果没消费者来消费，就会一直在等待
    - SynchronousQueue：容量为空，必须放进去一个值才能拿，也必须拿走了才能继续生产。和LinkedTransferQueue的区别就是SynchronousQueue没有容量
    - Delayqueue
  - PriorityQueue：小顶堆或大顶堆（具体是什么堆，通过自定义comparator），只拿最上面的那一个。由于底层实现是堆（即二叉树）实现的，所以并不能保证线程同步。如果要支持并发，需要用PriorityBlockingQueue。
  - ConcurrentLinkedQueue
  - DelayQueue
Map
- HashMap & LinkedHashMap
- TreeMap
- WeakHashMap
- IdentityHashMap
- ConcurrentHashMap
- ConcurrentSkipListMap

为什么没有 ConcurrentTreeMap？因为树上锁的话一般就需要锁一整棵树，影响效率；同时对树进行修改，如果底层是红黑树，修改数据可能导致整棵树的转换。
ConcurrentHashMap 无法保证顺序，如果要高并发+顺序，可以使用 ConcurrentSkipListMap

CAS和Synchronized的效率比较:

Synchronized的过程：无锁 -> 偏向锁 -> 自旋锁 -> 重量锁
如果线程不是很多，或者执行操作的时间不是很长的时候，cas可能会好一点

vector 和 arraylist 相似，都是动态数组，但是两者有不同

vector 里面方法全是 synchronized 的
vector 包含了很多传统的方法，这些方法不属于集合框架

ArrayList 不带锁，如果要带锁的话，Collections.SynchronizedList(list) 返回的就是加了锁的list，这个集合类方法会在所有操作上加一个 synchronized
LinkedList 不带锁，如果要带锁的话，Collections.SynchronizedList(list) 返回的就是加了锁的list
ArrayList 和 LinkedList 的区别：

ArrayList 底层是数组实现，LinkedList 底层是双向链表实现
ArrayList 查询快；LinkedList 增删快 => 原因是数组增删要移动数据，链表查询要移动指针

存储形式：
顺序存储数组查询快，增删慢
链式存储链表查询慢，增删快
散列存储哈希数组+链表查询和增删很快

HashMap、LinkedHashMap 和 Treemap 的区别：

HashMap 无序；LinkedHashMap 通过链表维护Key的插入顺序；TreeMap 通过红黑树来维护Key的自然顺序或者自定义顺序，但不是插入顺序。

HashTable 不允许key或value为空；put get 方法都加上了synchronized，线程同步，性能较低。如果要用线程同步的HashMap可以用 ConcurrentHashMap
HashMap 底层是数组+链表，链表长度大于8的时候，转成红黑树；LinkedHashMap 比HashMap 多维护一个双向链表，可以按照插入顺序从头部或尾部迭代；

LinkedHashMap 在HashMap 的基础上进行拓展，数组不变，链表增加了before和after，也就是将所有的kv（不论在数组的哪一个槽位）都通过前后指针连了起来。
LinkedHashMap 通过accessOrder 来决定是按照插入顺序还是访问顺序，accessOrder = true，会调用 afterNodeAccess() 方法，HashMap也调用了不过是空方法，LinkedHashMap 通过这个方法将访问的节点也就是kv放到链表的最后。另外在accessOrder = true的模式下，迭代LinkedHashMap的同时去查询数据，会导致fail-fast，因为afterNodeAccess()会修改modCount，迭代的顺序已经改变。
LinkedHashMap 重写了 containsValue()，HashMap 是双循环去遍历，而因为kv都通过双链表关联起来了，LinkedHashMap 可以通过直接通过head遍历链表；containsKey() 还是用的 HashMap 的，直接通过hashcode来遍历。
HashMap 和 LinkedHashMap 的操作时间复杂度在O(1)，TreeMap 是红黑树，时间复杂度在O(logn)

HashSet 、TreeSet 和 LinkedHashSet 的区别：

HashSet 无序，基于HashMap来实现；LinkedHashSet 有序，基于 LinkedHashMap 来实现的。
TreeSet 是 SortedSet 接口的唯一实现类（NavigableSet 接口继承 SortedSet 接口，TreeSet 实现 NavigableSet 接口），通过comparator方法来实现有序。在底层实现上，是通过Treemap的结构，也就是红黑树来实现存储。TreeSet 不允许存放null值。放入的对象必须实现HashCode()方法，放入的对象，是以hashcode作为标识的，而具有相同内容的string对象，hashcode是一样的。
Set 集合要求存储的元素比较重写hashcode和equals方法。比如HashSet的存放时，会先用hashcode来找位置，然后用equals来判断是否重复。

== 判断的是内存中的地址，equals 比较内存中存放的值是否相等

CopyOnWriteArrayList：在JUC包下面，基于写时复制，并发的读，当需要修改的(add、set、remove)时候，加锁，先复制整个容器，修改元素，将原容器的引用指向新的容器。适合读多写少。

copyonwrite的思想应该和redis在持久化实现的过程是一致的，即并发读，当需要修改的时候，只把需要修改的那部分复制出来进行修改，然后把引用的指针指向新的内容。这个类在实现copyonwrite的时候是复制整个容器。

CopyOnWriteArraySet：底层用的也是 CopyOnWriteArrayList 类，在add、remove修改的时候需要加锁，复制整个容器

Queue 接口

	引发异常	返回特殊值
插入	add（如果不能插入抛出异常）	offer（不超过容量的情况下插入，如果无法插入的话返回false）。在容量受限的队列中，offer要优于add
移除头部元素	remove（如果队列为空，返回NoSuchElementException异常）	poll（如果队列为空，返回false）
返回头部数据	element（如果队列为空，返回NoSuchElementException异常）	peek（如果队列为空，返回null）

Deque：继承Queue接口，双端队列，允许头部或尾部进行操作

LinkedList 也实现了这个接口方法，add 是直接在链表的尾部加入，还可以从头部加入，addfirst或者offerfirst

ArrayDeque：实现Deque接口，是一个双向数组，或者叫循环数组。普通数组下标0是第一个元素，下标最大的是最后一个元素，在最后进行操作还可以，但是如果在头部进行操作，就需要移动所有的数据下标，而ArrayDeque通过循环数组就解决了这个问题。具体是通过移动head和tail的下标来实现。计算个数的时候通过位运算获得return (tail - head) & (elements.length - 1);每当add数据的时候，都会判断head是否等于tail，如果是的话就扩容，所以head=tail只会出现在初始化的时候。

BlockingQueue 同步队列中的堵塞队列

BlockingQueue：阻塞队列

注意事项：

不接受null元素
可以限定容量
主要用于实现生产者消费者队列，但它另外还支持 Collection 接口
线程安全

公平锁和非公平锁：公平锁即一个线程组里能保证每个线程都拿到锁，那么这个锁就是公平锁。如果保证不了每个线程都拿到锁，即存在有线程饿死，那么这个锁就是非公平锁。ReentrantLock 默认是非公平锁。
比如：t1获取锁，t2等待，t1释放，t2正准备获取t3插队，t3获取锁，t2继续等待。这就是非公平锁，可能会因为线程抢占问题而导致某个线程一直在等待。如果是公平锁的话，t3会发现等待队列有人，就不会随意抢占了。

ArrayBlockingQueue：基于数组，有界，初始化时限定容量，不会扩容。生产和消费公用一个锁，即两者不会真正并行。可以设置锁是否公平。
PriorityBlockingQueue：基于优先级（优先级的判断通过构造函数传入的Compator对象来决定），*阻塞队列。生产和消费公用一个锁，即两者不会真正并行。不会阻塞生产者，统一使用的是offer()，由于队列是*的，会一直放进去数据；但是消费的时候如果队列为空，会一直等待。如果生产者速度远大于消费者，某一刻会导致OOM。
LinkedBlockingQueue：基于链表，如果不指定容量，默认是Integer.MAX_VALUE，相当于*，为了避免内存问题一般指定容量。内部有takeLock和putLock，保证了生产和消费可以并行执行，并且都是非公平锁。LinkedBlockingQueue

// Removes a node from head of queue.
private E dequeue() {
  // assert takeLock.isHeldByCurrentThread();
  // assert head.item == null;
  Node<E> h = head;
  Node<E> first = h.next;
  h.next = h; // help GC
  head = first;
  E x = first.item;
  first.item = null;
	return x;
}

TransferQueue & LinkedTransferQueue：*。transfer() 方法将元素给消费者，如果没有消费者就会堵塞生产者；tryTransfer() 将元素立刻给一个消费者，如果没有消费者就返回false，不会将元素放入队列，还可以指定等待时间。LinkedTransferQueue
SynchronousQueue：容量为空，必须放进去一个值才能拿，也必须拿走了才能继续生产。和LinkedTransferQueue的区别就是SynchronousQueue没有容量
DelayQueue：*。元素只有当指定的延迟时间到了，才能从里面获取到元素。即不会堵塞生产者，但是会堵塞消费者。使用场景比如用来管理一个超时未响应的连接队列。
ConcurrentLinkedQueue：通过CAS来实现

码农公寓

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