出自：https://github.com/CyC2018/CS-Notes

• 一、概覽

  • Collection

  • Map

• 二、容器中的設(shè)計模式

  • 迭代器模式

  • 適配器模式

• 三、源碼分析

  • ArrayList

  • Vector

  • CopyOnWriteArrayList

  • LinkedList

  • HashMap

  • ConcurrentHashMap

  • LinkedHashMap

  • WeakHashMap

• 參考資料

一、概覽

容器主要包括 Collection 和 Map 兩種，Collection 存儲著對象的集合，而 Map 存儲著鍵值對(兩個對象)的映射表。

Collection

1. Set

• TreeSet：基于紅黑樹實現(xiàn)，支持有序性操作，例如根據(jù)一個范圍查找元素的操作。但是查找效率不如 HashSet，HashSet 查找的時間復(fù)雜度為 O(1)，TreeSet 則為 O(logN)。

• HashSet：基于哈希表實現(xiàn)，支持快速查找，但不支持有序性操作。并且失去了元素的插入順序信息，也就是說使用 Iterator 遍歷 HashSet 得到的結(jié)果是不確定的。

• LinkedHashSet：具有 HashSet 的查找效率，且內(nèi)部使用雙向鏈表維護元素的插入順序。

2. List

• ArrayList：基于動態(tài)數(shù)組實現(xiàn)，支持隨機訪問。

• Vector：和 ArrayList 類似，但它是線程安全的。

• LinkedList：基于雙向鏈表實現(xiàn)，只能順序訪問，但是可以快速地在鏈表中間插入和刪除元素。不僅如此，LinkedList 還可以用作棧、隊列和雙向隊列。

3. Queue

• LinkedList：可以用它來實現(xiàn)雙向隊列。

• PriorityQueue：基于堆結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，可以用它來實現(xiàn)優(yōu)先隊列。

Map

• TreeMap：基于紅黑樹實現(xiàn)。

• HashMap：基于哈希表實現(xiàn)。

• HashTable：和 HashMap 類似，但它是線程安全的，這意味著同一時刻多個線程可以同時寫入 HashTable 并且不會導(dǎo)致數(shù)據(jù)不一致。它是遺留類，不應(yīng)該去使用它。現(xiàn)在可以使用 ConcurrentHashMap 來支持線程安全，并且 ConcurrentHashMap 的效率會更高，因為 ConcurrentHashMap 引入了分段鎖。

• LinkedHashMap：使用雙向鏈表來維護元素的順序，順序為插入順序或者最近最少使用(LRU)順序。

二、容器中的設(shè)計模式

迭代器模式

Collection 繼承了 Iterable 接口，其中的 iterator() 方法能夠產(chǎn)生一個 Iterator 對象，通過這個對象就可以迭代遍歷 Collection 中的元素。

從 JDK 1.5 之后可以使用 foreach 方法來遍歷實現(xiàn)了 Iterable 接口的聚合對象。

List?list?=?new?ArrayList<>();
list.add("a");
list.add("b");for?(String?item?:?list)?{
????System.out.println(item);
}

適配器模式

java.util.Arrays#asList() 可以把數(shù)組類型轉(zhuǎn)換為 List 類型。

@SafeVarargs
public?static??List?asList(T...?a)

應(yīng)該注意的是 asList() 的參數(shù)為泛型的變長參數(shù)，不能使用基本類型數(shù)組作為參數(shù)，只能使用相應(yīng)的包裝類型數(shù)組。

Integer[]?arr?=?{1,?2,?3};
List?list?=?Arrays.asList(arr);

也可以使用以下方式調(diào)用 asList()：

List?list?=?Arrays.asList(1,?2,?3);

三、源碼分析

如果沒有特別說明，以下源碼分析基于 JDK 1.8。

在 IDEA 中 double shift 調(diào)出 Search EveryWhere，查找源碼文件，找到之后就可以閱讀源碼。

ArrayList

1. 概覽

實現(xiàn)了 RandomAccess 接口，因此支持隨機訪問。這是理所當(dāng)然的，因為 ArrayList 是基于數(shù)組實現(xiàn)的。

public?class?ArrayList<E>?extends?AbstractList<E>implements?List<E>,?RandomAccess,?Cloneable,?java.io.Serializable

數(shù)組的默認大小為 10。

private?static?final?int?DEFAULT_CAPACITY?=?10;

2. 擴容

添加元素時使用 ensureCapacityInternal() 方法來保證容量足夠，如果不夠時，需要使用 grow() 方法進行擴容，新容量的大小為 oldCapacity + (oldCapacity >> 1)，也就是舊容量的 1.5 倍。

擴容操作需要調(diào)用 Arrays.copyOf() 把原數(shù)組整個復(fù)制到新數(shù)組中，這個操作代價很高，因此最好在創(chuàng)建 ArrayList 對象時就指定大概的容量大小，減少擴容操作的次數(shù)。

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

private?void?ensureCapacityInternal(int?minCapacity)?{
????if?(elementData?==?DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA)?{
????????minCapacity?=?Math.max(DEFAULT_CAPACITY,?minCapacity);
????}
????ensureExplicitCapacity(minCapacity);
}

private?void?ensureExplicitCapacity(int?minCapacity)?{
????modCount++;
????//?overflow-conscious?code
????if?(minCapacity?-?elementData.length?>?0)
????????grow(minCapacity);
}

private?void?grow(int?minCapacity)?{
????//?overflow-conscious?code
????int?oldCapacity?=?elementData.length;
????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:
????elementData?=?Arrays.copyOf(elementData,?newCapacity);
}

3. 刪除元素

需要調(diào)用 System.arraycopy() 將 index+1 后面的元素都復(fù)制到 index 位置上，該操作的時間復(fù)雜度為 O(N)，可以看出 ArrayList 刪除元素的代價是非常高的。

public?E?remove(int?index)?{
????rangeCheck(index);
????modCount++;
????E?oldValue?=?elementData(index);
????int?numMoved?=?size?-?index?-?1;
????if?(numMoved?>?0)
????????System.arraycopy(elementData,?index+1,?elementData,?index,?numMoved);
????elementData[--size]?=?null;?//?clear?to?let?GC?do?its?work
????return?oldValue;
}

4. Fail-Fast

modCount 用來記錄 ArrayList 結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的次數(shù)。結(jié)構(gòu)發(fā)生變化是指添加或者刪除至少一個元素的所有操作，或者是調(diào)整內(nèi)部數(shù)組的大小，僅僅只是設(shè)置元素的值不算結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。

在進行序列化或者迭代等操作時，需要比較操作前后 modCount 是否改變，如果改變了需要拋出 ConcurrentModificationException。

private?void?writeObject(java.io.ObjectOutputStream?s)throws?java.io.IOException{
????//?Write?out?element?count,?and?any?hidden?stuff
????int?expectedModCount?=?modCount;
????s.defaultWriteObject();

????//?Write?out?size?as?capacity?for?behavioural?compatibility?with?clone()
????s.writeInt(size);

????//?Write?out?all?elements?in?the?proper?order.
????for?(int?i=0;?i????????s.writeObject(elementData[i]);
????}

????if?(modCount?!=?expectedModCount)?{
????????throw?new?ConcurrentModificationException();
????}
}

5. 序列化

ArrayList 基于數(shù)組實現(xiàn)，并且具有動態(tài)擴容特性，因此保存元素的數(shù)組不一定都會被使用，那么就沒必要全部進行序列化。

保存元素的數(shù)組 elementData 使用 transient 修飾，該關(guān)鍵字聲明數(shù)組默認不會被序列化。

transient?Object[]?elementData;?//?non-private?to?simplify?nested?class?access

ArrayList 實現(xiàn)了 writeObject() 和 readObject() 來控制只序列化數(shù)組中有元素填充那部分內(nèi)容。

private?void?readObject(java.io.ObjectInputStream?s)throws?java.io.IOException,?ClassNotFoundException?{
????elementData?=?EMPTY_ELEMENTDATA;

????//?Read?in?size,?and?any?hidden?stuff
????s.defaultReadObject();

????//?Read?in?capacity
????s.readInt();?//?ignored

????if?(size?>?0)?{
????????//?be?like?clone(),?allocate?array?based?upon?size?not?capacity
????????ensureCapacityInternal(size);

????????Object[]?a?=?elementData;
????????//?Read?in?all?elements?in?the?proper?order.
????????for?(int?i=0;?i????????????a[i]?=?s.readObject();
????????}
????}
}
private?void?writeObject(java.io.ObjectOutputStream?s)throws?java.io.IOException{
????//?Write?out?element?count,?and?any?hidden?stuff
????int?expectedModCount?=?modCount;
????s.defaultWriteObject();

????//?Write?out?size?as?capacity?for?behavioural?compatibility?with?clone()
????s.writeInt(size);

????//?Write?out?all?elements?in?the?proper?order.
????for?(int?i=0;?i????????s.writeObject(elementData[i]);
????}

????if?(modCount?!=?expectedModCount)?{
????????throw?new?ConcurrentModificationException();
????}
}

序列化時需要使用 ObjectOutputStream 的 writeObject() 將對象轉(zhuǎn)換為字節(jié)流并輸出。而 writeObject() 方法在傳入的對象存在 writeObject() 的時候會去反射調(diào)用該對象的 writeObject() 來實現(xiàn)序列化。反序列化使用的是 ObjectInputStream 的 readObject() 方法，原理類似。

ArrayList?list?=?new?ArrayList();
ObjectOutputStream?oos?=?new?ObjectOutputStream(new?FileOutputStream(file));
oos.writeObject(list);

Vector

1. 同步

它的實現(xiàn)與 ArrayList 類似，但是使用了 synchronized 進行同步。

public?synchronized?boolean?add(E?e)?{
????modCount++;
????ensureCapacityHelper(elementCount?+?1);
????elementData[elementCount++]?=?e;
????return?true;
}

public?synchronized?E?get(int?index)?{
????if?(index?>=?elementCount)
????????throw?new?ArrayIndexOutOfBoundsException(index);

????return?elementData(index);
}

2. 與 ArrayList 的比較

• Vector 是同步的，因此開銷就比 ArrayList 要大，訪問速度更慢。最好使用 ArrayList 而不是 Vector，因為同步操作完全可以由程序員自己來控制；

• Vector 每次擴容請求其大小的 2 倍空間，而 ArrayList 是 1.5 倍。

3. 替代方案

可以使用 Collections.synchronizedList(); 得到一個線程安全的 ArrayList。

List?list?=?new?ArrayList<>();
List?synList?=?Collections.synchronizedList(list);

也可以使用 concurrent 并發(fā)包下的 CopyOnWriteArrayList 類。

List?list?=?new?CopyOnWriteArrayList<>();

CopyOnWriteArrayList

讀寫分離

寫操作在一個復(fù)制的數(shù)組上進行，讀操作還是在原始數(shù)組中進行，讀寫分離，互不影響。

寫操作需要加鎖，防止并發(fā)寫入時導(dǎo)致寫入數(shù)據(jù)丟失。

寫操作結(jié)束之后需要把原始數(shù)組指向新的復(fù)制數(shù)組。

public?boolean?add(E?e)?{
????final?ReentrantLock?lock?=?this.lock;
????lock.lock();
????try?{
????????Object[]?elements?=?getArray();
????????int?len?=?elements.length;
????????Object[]?newElements?=?Arrays.copyOf(elements,?len?+?1);
????????newElements[len]?=?e;
????????setArray(newElements);
????????return?true;
????}?finally?{
????????lock.unlock();
????}
}

final?void?setArray(Object[]?a)?{
????array?=?a;
}
@SuppressWarnings("unchecked")
private?E?get(Object[]?a,?int?index)?{
????return?(E)?a[index];
}

適用場景

CopyOnWriteArrayList 在寫操作的同時允許讀操作，大大提高了讀操作的性能，因此很適合讀多寫少的應(yīng)用場景。

但是 CopyOnWriteArrayList 有其缺陷：

• 內(nèi)存占用：在寫操作時需要復(fù)制一個新的數(shù)組，使得內(nèi)存占用為原來的兩倍左右；

• 數(shù)據(jù)不一致：讀操作不能讀取實時性的數(shù)據(jù)，因為部分寫操作的數(shù)據(jù)還未同步到讀數(shù)組中。

所以 CopyOnWriteArrayList 不適合內(nèi)存敏感以及對實時性要求很高的場景。

LinkedList

1. 概覽

基于雙向鏈表實現(xiàn)，使用 Node 存儲鏈表節(jié)點信息。

private?static?class?Node<E>?{
????E?item;
????Node?next;
????Node?prev;
}

每個鏈表存儲了 first 和 last 指針：

transient?Node?first;transient?Node?last;

2. 與 ArrayList 的比較

• ArrayList 基于動態(tài)數(shù)組實現(xiàn)，LinkedList 基于雙向鏈表實現(xiàn)；

• ArrayList 支持隨機訪問，LinkedList 不支持；

• LinkedList 在任意位置添加刪除元素更快。

HashMap

為了便于理解，以下源碼分析以 JDK 1.7 為主。

1. 存儲結(jié)構(gòu)

內(nèi)部包含了一個 Entry 類型的數(shù)組 table。

transient?Entry[]?table;

Entry 存儲著鍵值對。它包含了四個字段，從 next 字段我們可以看出 Entry 是一個鏈表。即數(shù)組中的每個位置被當(dāng)成一個桶，一個桶存放一個鏈表。HashMap 使用拉鏈法來解決沖突，同一個鏈表中存放哈希值相同的 Entry。

static?class?Entry<K,V>?implements?Map.Entry<K,V>?{
????final?K?key;
????V?value;
????Entry?next;int?hash;
????Entry(int?h,?K?k,?V?v,?Entry?n)?{
????????value?=?v;
????????next?=?n;
????????key?=?k;
????????hash?=?h;
????}public?final?K?getKey()?{return?key;
????}public?final?V?getValue()?{return?value;
????}public?final?V?setValue(V?newValue)?{
????????V?oldValue?=?value;
????????value?=?newValue;return?oldValue;
????}public?final?boolean?equals(Object?o)?{if?(!(o?instanceof?Map.Entry))return?false;
????????Map.Entry?e?=?(Map.Entry)o;
????????Object?k1?=?getKey();
????????Object?k2?=?e.getKey();if?(k1?==?k2?||?(k1?!=?null?&&?k1.equals(k2)))?{
????????????Object?v1?=?getValue();
????????????Object?v2?=?e.getValue();if?(v1?==?v2?||?(v1?!=?null?&&?v1.equals(v2)))return?true;
????????}return?false;
????}public?final?int?hashCode()?{return?Objects.hashCode(getKey())?^?Objects.hashCode(getValue());
????}public?final?String?toString()?{return?getKey()?+?"="?+?getValue();
????}
}

2. 拉鏈法的工作原理

HashMap?map?=?new?HashMap<>();
map.put("K1",?"V1");
map.put("K2",?"V2");
map.put("K3",?"V3");

• 新建一個 HashMap，默認大小為 16；

• 插入 鍵值對，先計算 K1 的 hashCode 為 115，使用除留余數(shù)法得到所在的桶下標(biāo) 115%16=3。

• 插入 鍵值對，先計算 K2 的 hashCode 為 118，使用除留余數(shù)法得到所在的桶下標(biāo) 118%16=6。

• 插入 鍵值對，先計算 K3 的 hashCode 為 118，使用除留余數(shù)法得到所在的桶下標(biāo) 118%16=6，插在 前面。

應(yīng)該注意到鏈表的插入是以頭插法方式進行的，例如上面的 不是插在 后面，而是插入在鏈表頭部。

查找需要分成兩步進行：

• 計算鍵值對所在的桶；

• 在鏈表上順序查找，時間復(fù)雜度顯然和鏈表的長度成正比。

3. put 操作

public?V?put(K?key,?V?value)?{
????if?(table?==?EMPTY_TABLE)?{
????????inflateTable(threshold);
????}
????//?鍵為?null?單獨處理
????if?(key?==?null)
????????return?putForNullKey(value);
????int?hash?=?hash(key);
????//?確定桶下標(biāo)
????int?i?=?indexFor(hash,?table.length);
????//?先找出是否已經(jīng)存在鍵為?key?的鍵值對，如果存在的話就更新這個鍵值對的值為?value
????for?(Entry?e?=?table[i];?e?!=?null;?e?=?e.next)?{
????????Object?k;if?(e.hash?==?hash?&&?((k?=?e.key)?==?key?||?key.equals(k)))?{
????????????V?oldValue?=?e.value;
????????????e.value?=?value;
????????????e.recordAccess(this);return?oldValue;
????????}
????}
????modCount++;//?插入新鍵值對
????addEntry(hash,?key,?value,?i);return?null;
}

HashMap 允許插入鍵為 null 的鍵值對。但是因為無法調(diào)用 null 的 hashCode() 方法，也就無法確定該鍵值對的桶下標(biāo)，只能通過強制指定一個桶下標(biāo)來存放。HashMap 使用第 0 個桶存放鍵為 null 的鍵值對。

private?V?putForNullKey(V?value)?{
????for?(Entry?e?=?table[0];?e?!=?null;?e?=?e.next)?{if?(e.key?==?null)?{
????????????V?oldValue?=?e.value;
????????????e.value?=?value;
????????????e.recordAccess(this);return?oldValue;
????????}
????}
????modCount++;
????addEntry(0,?null,?value,?0);return?null;
}

使用鏈表的頭插法，也就是新的鍵值對插在鏈表的頭部，而不是鏈表的尾部。

void?addEntry(int?hash,?K?key,?V?value,?int?bucketIndex)?{
????if?((size?>=?threshold)?&&?(null?!=?table[bucketIndex]))?{
????????resize(2?*?table.length);
????????hash?=?(null?!=?key)???hash(key)?:?0;
????????bucketIndex?=?indexFor(hash,?table.length);
????}

????createEntry(hash,?key,?value,?bucketIndex);
}

void?createEntry(int?hash,?K?key,?V?value,?int?bucketIndex)?{
????Entry?e?=?table[bucketIndex];//?頭插法，鏈表頭部指向新的鍵值對
????table[bucketIndex]?=?new?Entry<>(hash,?key,?value,?e);
????size++;
}Entry(int?h,?K?k,?V?v,?Entry?n)?{
????value?=?v;
????next?=?n;
????key?=?k;
????hash?=?h;
}

4. 確定桶下標(biāo)

很多操作都需要先確定一個鍵值對所在的桶下標(biāo)。

int?hash?=?hash(key);
int?i?=?indexFor(hash,?table.length);

4.1 計算 hash 值

final?int?hash(Object?k)?{
????int?h?=?hashSeed;
????if?(0?!=?h?&&?k?instanceof?String)?{
????????return?sun.misc.Hashing.stringHash32((String)?k);
????}

????h?^=?k.hashCode();

????//?This?function?ensures?that?hashCodes?that?differ?only?by
????//?constant?multiples?at?each?bit?position?have?a?bounded
????//?number?of?collisions?(approximately?8?at?default?load?factor).
????h?^=?(h?>>>?20)?^?(h?>>>?12);
????return?h?^?(h?>>>?7)?^?(h?>>>?4);
}
public?final?int?hashCode()?{
????return?Objects.hashCode(key)?^?Objects.hashCode(value);
}

4.2 取模

令 x = 1<<4，即 x 為 2 的 4 次方，它具有以下性質(zhì)：

x???:?00010000
x-1?:?00001111

令一個數(shù) y 與 x-1 做與運算，可以去除 y 位級表示的第 4 位以上數(shù)：

y???????:?10110010
x-1?????:?00001111
y&(x-1)?:?00000010

這個性質(zhì)和 y 對 x 取模效果是一樣的：

y???:?10110010
x???:?00010000
y%x?:?00000010

我們知道，位運算的代價比求模運算小的多，因此在進行這種計算時用位運算的話能帶來更高的性能。

確定桶下標(biāo)的最后一步是將 key 的 hash 值對桶個數(shù)取模：hash%capacity，如果能保證 capacity 為 2 的 n 次方，那么就可以將這個操作轉(zhuǎn)換為位運算。

static?int?indexFor(int?h,?int?length)?{
????return?h?&?(length-1);
}

5. 擴容-基本原理

設(shè) HashMap 的 table 長度為 M，需要存儲的鍵值對數(shù)量為 N，如果哈希函數(shù)滿足均勻性的要求，那么每條鏈表的長度大約為 N/M，因此平均查找次數(shù)的復(fù)雜度為 O(N/M)。

為了讓查找的成本降低，應(yīng)該盡可能使得 N/M 盡可能小，因此需要保證 M 盡可能大，也就是說 table 要盡可能大。HashMap 采用動態(tài)擴容來根據(jù)當(dāng)前的 N 值來調(diào)整 M 值，使得空間效率和時間效率都能得到保證。

和擴容相關(guān)的參數(shù)主要有：capacity、size、threshold 和 load_factor。

參數(shù)含義

capacity	table 的容量大小，默認為 16。需要注意的是 capacity 必須保證為 2 的 n 次方。
size	鍵值對數(shù)量。
threshold	size 的臨界值，當(dāng) size 大于等于 threshold 就必須進行擴容操作。
loadFactor	裝載因子，table 能夠使用的比例，threshold = capacity * loadFactor。

static?final?int?DEFAULT_INITIAL_CAPACITY?=?16;

static?final?int?MAXIMUM_CAPACITY?=?1?<30;

static?final?float?DEFAULT_LOAD_FACTOR?=?0.75f;

transient?Entry[]?table;

transient?int?size;

int?threshold;

final?float?loadFactor;

transient?int?modCount;

從下面的添加元素代碼中可以看出，當(dāng)需要擴容時，令 capacity 為原來的兩倍。

void?addEntry(int?hash,?K?key,?V?value,?int?bucketIndex)?{
????Entry?e?=?table[bucketIndex];
????table[bucketIndex]?=?new?Entry<>(hash,?key,?value,?e);if?(size++?>=?threshold)
????????resize(2?*?table.length);
}

擴容使用 resize() 實現(xiàn)，需要注意的是，擴容操作同樣需要把 oldTable 的所有鍵值對重新插入 newTable 中，因此這一步是很費時的。

void?resize(int?newCapacity)?{
????Entry[]?oldTable?=?table;
????int?oldCapacity?=?oldTable.length;
????if?(oldCapacity?==?MAXIMUM_CAPACITY)?{
????????threshold?=?Integer.MAX_VALUE;
????????return;
????}
????Entry[]?newTable?=?new?Entry[newCapacity];
????transfer(newTable);
????table?=?newTable;
????threshold?=?(int)(newCapacity?*?loadFactor);
}

void?transfer(Entry[]?newTable)?{
????Entry[]?src?=?table;
????int?newCapacity?=?newTable.length;
????for?(int?j?=?0;?j?????????Entry?e?=?src[j];if?(e?!=?null)?{
????????????src[j]?=?null;do?{
????????????????Entry?next?=?e.next;int?i?=?indexFor(e.hash,?newCapacity);
????????????????e.next?=?newTable[i];
????????????????newTable[i]?=?e;
????????????????e?=?next;
????????????}?while?(e?!=?null);
????????}
????}
}

6. 擴容-重新計算桶下標(biāo)

在進行擴容時，需要把鍵值對重新放到對應(yīng)的桶上。HashMap 使用了一個特殊的機制，可以降低重新計算桶下標(biāo)的操作。

假設(shè)原數(shù)組長度 capacity 為 16，擴容之后 new capacity 為 32：

capacity?????:?00010000
new?capacity?:?00100000

對于一個 Key，

• 它的哈希值如果在第 5 位上為 0，那么取模得到的結(jié)果和之前一樣；

• 如果為 1，那么得到的結(jié)果為原來的結(jié)果 +16。

7. 計算數(shù)組容量

HashMap 構(gòu)造函數(shù)允許用戶傳入的容量不是 2 的 n 次方，因為它可以自動地將傳入的容量轉(zhuǎn)換為 2 的 n 次方。

先考慮如何求一個數(shù)的掩碼，對于 10010000，它的掩碼為 11111111，可以使用以下方法得到：

mask?|=?mask?>>?1????11011000
mask?|=?mask?>>?2????11111110
mask?|=?mask?>>?4????11111111

mask+1 是大于原始數(shù)字的最小的 2 的 n 次方。

num?????10010000
mask+1?100000000

以下是 HashMap 中計算數(shù)組容量的代碼：

static?final?int?tableSizeFor(int?cap)?{
????int?n?=?cap?-?1;
????n?|=?n?>>>?1;
????n?|=?n?>>>?2;
????n?|=?n?>>>?4;
????n?|=?n?>>>?8;
????n?|=?n?>>>?16;
????return?(n?0)???1?:?(n?>=?MAXIMUM_CAPACITY)???MAXIMUM_CAPACITY?:?n?+?1;
}

8. 鏈表轉(zhuǎn)紅黑樹

從 JDK 1.8 開始，一個桶存儲的鏈表長度大于 8 時會將鏈表轉(zhuǎn)換為紅黑樹。

9. 與 HashTable 的比較

• HashTable 使用 synchronized 來進行同步。

• HashMap 可以插入鍵為 null 的 Entry。

• HashMap 的迭代器是 fail-fast 迭代器。

• HashMap 不能保證隨著時間的推移 Map 中的元素次序是不變的。

ConcurrentHashMap

1. 存儲結(jié)構(gòu)

static?final?class?HashEntry<K,V>?{
????final?int?hash;
????final?K?key;
????volatile?V?value;
????volatile?HashEntry?next;
}

ConcurrentHashMap 和 HashMap 實現(xiàn)上類似，最主要的差別是 ConcurrentHashMap 采用了分段鎖(Segment)，每個分段鎖維護著幾個桶(HashEntry)，多個線程可以同時訪問不同分段鎖上的桶，從而使其并發(fā)度更高(并發(fā)度就是 Segment 的個數(shù))。

Segment 繼承自 ReentrantLock。

static?final?class?Segment<K,V>?extends?ReentrantLock?implements?Serializable?{

????private?static?final?long?serialVersionUID?=?2249069246763182397L;

????static?final?int?MAX_SCAN_RETRIES?=
????????Runtime.getRuntime().availableProcessors()?>?1???64?:?1;

????transient?volatile?HashEntry[]?table;transient?int?count;transient?int?modCount;transient?int?threshold;final?float?loadFactor;
}final?Segment[]?segments;

默認的并發(fā)級別為 16，也就是說默認創(chuàng)建 16 個 Segment。

static?final?int?DEFAULT_CONCURRENCY_LEVEL?=?16;

2. size 操作

每個 Segment 維護了一個 count 變量來統(tǒng)計該 Segment 中的鍵值對個數(shù)。

/**
?*?The?number?of?elements.?Accessed?only?either?within?locks
?*?or?among?other?volatile?reads?that?maintain?visibility.
?*/
transient?int?count;

在執(zhí)行 size 操作時，需要遍歷所有 Segment 然后把 count 累計起來。

ConcurrentHashMap 在執(zhí)行 size 操作時先嘗試不加鎖，如果連續(xù)兩次不加鎖操作得到的結(jié)果一致，那么可以認為這個結(jié)果是正確的。

嘗試次數(shù)使用 RETRIES_BEFORE_LOCK 定義，該值為 2，retries 初始值為 -1，因此嘗試次數(shù)為 3。

如果嘗試的次數(shù)超過 3 次，就需要對每個 Segment 加鎖。

/**
?*?Number?of?unsynchronized?retries?in?size?and?containsValue
?*?methods?before?resorting?to?locking.?This?is?used?to?avoid
?*?unbounded?retries?if?tables?undergo?continuous?modification
?*?which?would?make?it?impossible?to?obtain?an?accurate?result.
?*/
static?final?int?RETRIES_BEFORE_LOCK?=?2;

public?int?size()?{
????//?Try?a?few?times?to?get?accurate?count.?On?failure?due?to
????//?continuous?async?changes?in?table,?resort?to?locking.
????final?Segment[]?segments?=?this.segments;int?size;boolean?overflow;?//?true?if?size?overflows?32?bitslong?sum;?????????//?sum?of?modCountslong?last?=?0L;???//?previous?sumint?retries?=?-1;?//?first?iteration?isn't?retrytry?{for?(;;)?{//?超過嘗試次數(shù)，則對每個?Segment?加鎖if?(retries++?==?RETRIES_BEFORE_LOCK)?{for?(int?j?=?0;?j?????????????????????ensureSegment(j).lock();?//?force?creation
????????????}
????????????sum?=?0L;
????????????size?=?0;
????????????overflow?=?false;for?(int?j?=?0;?j?????????????????Segment?seg?=?segmentAt(segments,?j);if?(seg?!=?null)?{
????????????????????sum?+=?seg.modCount;int?c?=?seg.count;if?(c?0?||?(size?+=?c)?0)
????????????????????????overflow?=?true;
????????????????}
????????????}//?連續(xù)兩次得到的結(jié)果一致，則認為這個結(jié)果是正確的if?(sum?==?last)break;
????????????last?=?sum;
????????}
????}?finally?{if?(retries?>?RETRIES_BEFORE_LOCK)?{for?(int?j?=?0;?j?????????????????segmentAt(segments,?j).unlock();
????????}
????}return?overflow???Integer.MAX_VALUE?:?size;
}

3. JDK 1.8 的改動

JDK 1.7 使用分段鎖機制來實現(xiàn)并發(fā)更新操作，核心類為 Segment，它繼承自重入鎖 ReentrantLock，并發(fā)度與 Segment 數(shù)量相等。

JDK 1.8 使用了 CAS 操作來支持更高的并發(fā)度，在 CAS 操作失敗時使用內(nèi)置鎖 synchronized。

并且 JDK 1.8 的實現(xiàn)也在鏈表過長時會轉(zhuǎn)換為紅黑樹。

LinkedHashMap

存儲結(jié)構(gòu)

繼承自 HashMap，因此具有和 HashMap 一樣的快速查找特性。

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

內(nèi)部維護了一個雙向鏈表，用來維護插入順序或者 LRU 順序。

/**
?*?The?head?(eldest)?of?the?doubly?linked?list.
?*/
transient?LinkedHashMap.Entry?head;/**
?*?The?tail?(youngest)?of?the?doubly?linked?list.
?*/transient?LinkedHashMap.Entry?tail;

accessOrder 決定了順序，默認為 false，此時維護的是插入順序。

final?boolean?accessOrder;

LinkedHashMap 最重要的是以下用于維護順序的函數(shù)，它們會在 put、get 等方法中調(diào)用。

void?afterNodeAccess(Node?p)?{?}
void?afterNodeInsertion(boolean?evict)?{?}

afterNodeAccess()

當(dāng)一個節(jié)點被訪問時，如果 accessOrder 為 true，則會將該節(jié)點移到鏈表尾部。也就是說指定為 LRU 順序之后，在每次訪問一個節(jié)點時，會將這個節(jié)點移到鏈表尾部，保證鏈表尾部是最近訪問的節(jié)點，那么鏈表首部就是最近最久未使用的節(jié)點。

void?afterNodeAccess(Node?e)?{?//?move?node?to?last
????LinkedHashMap.Entry?last;if?(accessOrder?&&?(last?=?tail)?!=?e)?{
????????LinkedHashMap.Entry?p?=
????????????(LinkedHashMap.Entry)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;
????}
}

afterNodeInsertion()

在 put 等操作之后執(zhí)行，當(dāng) removeEldestEntry() 方法返回 true 時會移除最晚的節(jié)點，也就是鏈表首部節(jié)點 first。

evict 只有在構(gòu)建 Map 的時候才為 false，在這里為 true。

void?afterNodeInsertion(boolean?evict)?{?//?possibly?remove?eldest
????LinkedHashMap.Entry?first;if?(evict?&&?(first?=?head)?!=?null?&&?removeEldestEntry(first))?{
????????K?key?=?first.key;
????????removeNode(hash(key),?key,?null,?false,?true);
????}
}

removeEldestEntry() 默認為 false，如果需要讓它為 true，需要繼承 LinkedHashMap 并且覆蓋這個方法的實現(xiàn)，這在實現(xiàn) LRU 的緩存中特別有用，通過移除最近最久未使用的節(jié)點，從而保證緩存空間足夠，并且緩存的數(shù)據(jù)都是熱點數(shù)據(jù)。

protected?boolean?removeEldestEntry(Map.Entry?eldest)?{
????return?false;
}

LRU 緩存

以下是使用 LinkedHashMap 實現(xiàn)的一個 LRU 緩存：

• 設(shè)定最大緩存空間 MAX_ENTRIES ?為 3；

• 使用 LinkedHashMap 的構(gòu)造函數(shù)將 accessOrder 設(shè)置為 true，開啟 LRU 順序；

• 覆蓋 removeEldestEntry() 方法實現(xiàn)，在節(jié)點多于 MAX_ENTRIES 就會將最近最久未使用的數(shù)據(jù)移除。

class?LRUCache<K,?V>?extends?LinkedHashMap<K,?V>?{
????private?static?final?int?MAX_ENTRIES?=?3;

????protected?boolean?removeEldestEntry(Map.Entry?eldest)?{
????????return?size()?>?MAX_ENTRIES;
????}

????LRUCache()?{
????????super(MAX_ENTRIES,?0.75f,?true);
????}
}
public?static?void?main(String[]?args)?{
????LRUCache?cache?=?new?LRUCache<>();
????cache.put(1,?"a");
????cache.put(2,?"b");
????cache.put(3,?"c");
????cache.get(1);
????cache.put(4,?"d");
????System.out.println(cache.keySet());
}[3,?1,?4]

WeakHashMap

存儲結(jié)構(gòu)

WeakHashMap 的 Entry 繼承自 WeakReference，被 WeakReference 關(guān)聯(lián)的對象在下一次垃圾回收時會被回收。

WeakHashMap 主要用來實現(xiàn)緩存，通過使用 WeakHashMap 來引用緩存對象，由 JVM 對這部分緩存進行回收。

private?static?class?Entry<K,V>?extends?WeakReference<Object>?implements?Map.Entry<K,V>

ConcurrentCache

Tomcat 中的 ConcurrentCache 使用了 WeakHashMap 來實現(xiàn)緩存功能。

ConcurrentCache 采取的是分代緩存：

• 經(jīng)常使用的對象放入 eden 中，eden 使用 ConcurrentHashMap 實現(xiàn)，不用擔(dān)心會被回收(伊甸園)；

• 不常用的對象放入 longterm，longterm 使用 WeakHashMap 實現(xiàn)，這些老對象會被垃圾收集器回收。

• 當(dāng)調(diào)用 ?get() 方法時，會先從 eden 區(qū)獲取，如果沒有找到的話再到 longterm 獲取，當(dāng)從 longterm 獲取到就把對象放入 eden 中，從而保證經(jīng)常被訪問的節(jié)點不容易被回收。

• 當(dāng)調(diào)用 put() 方法時，如果 eden 的大小超過了 size，那么就將 eden 中的所有對象都放入 longterm 中，利用虛擬機回收掉一部分不經(jīng)常使用的對象。

public?final?class?ConcurrentCache<K,?V>?{

????private?final?int?size;

????private?final?Map?eden;private?final?Map?longterm;public?ConcurrentCache(int?size)?{this.size?=?size;this.eden?=?new?ConcurrentHashMap<>(size);this.longterm?=?new?WeakHashMap<>(size);
????}public?V?get(K?k)?{
????????V?v?=?this.eden.get(k);if?(v?==?null)?{
????????????v?=?this.longterm.get(k);if?(v?!=?null)this.eden.put(k,?v);
????????}return?v;
????}public?void?put(K?k,?V?v)?{if?(this.eden.size()?>=?size)?{this.longterm.putAll(this.eden);this.eden.clear();
????????}this.eden.put(k,?v);
????}
}

參考資料

• Eckel B. Java 編程思想 [M]. 機械工業(yè)出版社, 2002.

• Java Collection Framework

• Iterator 模式

• Java 8 系列之重新認識 HashMap

• What is difference between HashMap and Hashtable in Java?

• Java 集合之 HashMap

• The principle of ConcurrentHashMap analysis

• 探索 ConcurrentHashMap 高并發(fā)性的實現(xiàn)機制

• HashMap 相關(guān)面試題及其解答

• Java 集合細節(jié)(二)：asList 的缺陷

• Java Collection Framework – The LinkedList Class

其它優(yōu)質(zhì)文章請見后臺公眾號菜單

【191101】Java第一期資源

【191110】Java第二期資源

【191117】Java第三期資源

【191124】Java第四期資源

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的java 容器_java容器考点总结和源码剖析！！！的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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