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概覽

容器主要包括 Collection 和 Map 兩種，Collection 又包含了 List、Set 以及 Queue。

1. List

• ArrayList：基於動態陣列實現，支援隨機訪問；

• LinkedList：基於雙向迴圈連結串列實現，只能順序訪問，但是可以快速地在連結串列中間插入和刪除元素。不僅如此，LinkedList 還可以用作棧、佇列和雙端佇列。

2. Set

• HashSet：基於 Hash 實現，支援快速查詢，但是失去有序性；

• TreeSet：基於紅黑樹實現，保持有序，但是查詢效率不如 HashSet；

• LinkedListHashSet：具有 HashSet 的查詢效率，且內部使用連結串列維護元素的插入順序，因此具有有序性。

3. Queue

只有兩個實現：LinkedList 和 PriorityQueue，其中 LinkedList 支援雙向佇列，PriorityQueue 是基於堆結構實現。

4. Map

• HashMap：基於 Hash 實現

• LinkedHashMap：使用連結串列來維護元素的順序，順序為插入順序或者最近最少使用（LRU）順序

• TreeMap：基於紅黑樹實現

• ConcurrentHashMap：執行緒安全 Map，不涉及類似於 HashTable 的同步加鎖

5. Java 1.0/1.1 容器

對於舊的容器，我們決不應該使用它們，只需要對它們進行了解。

• Vector：和 ArrayList 類似，但它是執行緒安全的

• HashTable：和 HashMap 類似，但它是執行緒安全的

容器中的設計模式

1. 迭代器模式

從概覽圖可以看到，每個集合類都有一個 Iterator 物件，可以通過這個迭代器物件來遍歷集合中的元素。

2. 介面卡模式

java.util.Arrays#asList() 可以把陣列型別轉換為 List 型別。

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

雜湊

使用 hasCode() 來返回雜湊值，使用的是物件的地址。

而 equals() 是用來判斷兩個物件是否相等的，相等的兩個物件雜湊值一定要相同，但是雜湊值相同的兩個物件不一定相等。

相等必須滿足以下五個性質：

1. 自反性
2. 對稱性
3. 傳遞性
4. 一致性（多次呼叫 x.equals(y)，結果不變）
5. 對任何不是 null 的物件 x 呼叫 x.equals(nul) 結果都為 false

原始碼分析

建議先閱讀 演算法 - 查詢 部分，對集合類原始碼的理解有很大幫助。

1. ArraList

實現了 RandomAccess 介面，因此支援隨機訪問，這是理所當然的，因為 ArrayList 是基於陣列實現的。

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

基於陣列實現，儲存元素的陣列使用 transient 修飾，這是因為該陣列不一定所有位置都佔滿元素，因此也就沒必要全部都進行序列化。需要重寫 writeObject() 和 readObject()。

private transient Object[] elementData;

陣列的預設大小為 10

public ArrayList(int initialCapacity) {
    super();
    if (initialCapacity < 0)
        throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+ initialCapacity);
    this.elementData = new Object[initialCapacity];
}

public ArrayList() {
    this(10);
}

刪除元素時呼叫 System.arraycopy() 對元素進行復制，因此刪除操作成本很高，最好在建立時就指定大概的容量大小，減少複製操作的執行次數。

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; // Let gc do its work

    return oldValue;
}

新增元素時使用 ensureCapacity() 方法來保證容量足夠，如果不夠時，需要進行擴容，使得新容量為舊容量的 1.5 倍。

modCount 用來記錄 ArrayList 發生變化的次數，因為每次在進行 add() 和 addAll() 時都需要呼叫 ensureCapacity()，因此直接在 ensureCapacity() 中對 modCount 進行修改。

public void ensureCapacity(int minCapacity) {
    if (minCapacity > 0)
        ensureCapacityInternal(minCapacity);
}

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

private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;

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);
}

private static int hugeCapacity(int minCapacity) {
    if (minCapacity < 0) // overflow
        throw new OutOfMemoryError();
    return (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ?
        Integer.MAX_VALUE :
        MAX_ARRAY_SIZE;
}

在進行序列化或者迭代等操作時，需要比較操作前後 modCount 是否改變，如果改變了需要丟擲 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 array length
    s.writeInt(elementData.length);

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

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

}

和 Vector 的區別

1. Vector 和 ArrayList 幾乎是完全相同的，唯一的區別在於 Vector 是同步的，因此開銷就比 ArrayList 要大，訪問要慢。最好使用 ArrayList 而不是 Vector，因為同步完全可以由程式設計師自己來控制；
2. Vector 每次擴容請求其大小的 2 倍空間，而 ArrayList 是 1.5 倍。

為了使用執行緒安全的 ArrayList，可以使用 Collections.synchronizedList(new ArrayList<>()); 返回一個執行緒安全的 ArrayList，也可以使用 concurrent 併發包下的 CopyOnWriteArrayList 類；

和 LinkedList 的區別

1. ArrayList 基於動態陣列實現，LinkedList 基於雙向迴圈連結串列實現；
2. ArrayList 支援隨機訪問，LinkedList 不支援；
3. LinkedList 在任意位置新增刪除元素更快。

2. Vector 與 Stack

3. LinkedList

4. TreeMap

5. HashMap

使用拉鍊法來解決衝突。

預設容量 capacity 為 16，需要注意的是容量必須保證為 2 的次方。容量就是 Entry[] table 陣列的長度，size 是陣列的實際使用量。

threshold 規定了一個 size 的臨界值，size 必須小於 threshold，如果大於等於，就必須進行擴容操作。

threshold = capacity * load_factor，其中 load_factor 為 table 陣列能夠使用的比例，load_factor 過大會導致聚簇的出現，從而影響查詢和插入的效率，詳見演算法筆記。

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;

從下面的新增元素程式碼中可以看出，當需要擴容時，令 capacity 為原來的兩倍。

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

Entry 用來表示一個鍵值對元素，其中的 next 指標在序列化時會使用。

static class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
    final K key;
    V value;
    Entry<K,V> next;
    final int hash;
}

get() 操作需要分成兩種情況，key 為 null 和 不為 null，從中可以看出 HashMap 允許插入 null 作為鍵。

public V get(Object key) {
    if (key == null)
        return getForNullKey();
    int hash = hash(key.hashCode());
    for (Entry<K,V> e = table[indexFor(hash, table.length)]; e != null; e = e.next) {
        Object k;
        if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k)))
            return e.value;
    }
    return null;
}

put() 操作也需要根據 key 是否為 null 做不同的處理，需要注意的是如果本來沒有 key 為 null 的鍵值對，新插入一個 key 為 null 的鍵值對時預設是放在陣列的 0 位置，這是因為 null 不能計算 hash 值，也就無法知道應該放在哪個連結串列上。

public V put(K key, V value) {
    if (key == null)
        return putForNullKey(value);
    int hash = hash(key.hashCode());
    int i = indexFor(hash, table.length);
    for (Entry<K,V> 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++;
    addEntry(hash, key, value, i);
    return null;
}

private V putForNullKey(V value) {
    for (Entry<K,V> 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;
}

6. LinkedHashMap

7. ConcurrentHashMap

參考資料

• Java 程式設計思想