一、集合框架圖

Java的集合類主要由兩個介面派生而出：Collection和Map，Collection和Map是Java集合框架的根介面，這兩個介面又包含了一些子介面或實現類。

1:List集合:ArrayList LinkedList Vector 有序 可重複
2:Set集合：HashSet LinkedHashSet TreeSet 無序 不可重複
3:Map集合:HashMap LinkedHashMap WeakHashMap HashTable TreeMap 鍵值對 鍵唯一 值不唯一
4:執行緒安全的集合類:Vector HashTable ConcurrentHashMap Stack(繼承於Vector)
5:併發容器:ConcurrentHashMap  CopyOnWriteArrayList CopyOnWriteArraySet ArrayBlockingQueue BlockingQueue 

二、實現原理
1.ArrayList: 有序可重複,查詢速度快，增刪改速度慢。
ArrayList是List介面的可變陣列非同步實現，並允許包括null在內的所有元素。
底層使用陣列實現
該集合是可變長度陣列，陣列擴容時，會將老陣列中的元素重新拷貝一份到新的陣列中，每次陣列容量增長大約是其容量的1.5倍，這種操作的代價很高。
採用了Fail-Fast機制，面對併發的修改時，迭代器很快就會完全失敗，而不是冒著在將來某個不確定時間發生任意不確定行為的風險
remove方法會讓下標到陣列末尾的元素向前移動一個單位，並把最後一位的值置空，方便GC
2.LinkedList:查詢速度慢，增刪改速度快。
LinkedList是List介面的雙向連結串列非同步實現，並允許包括null在內的所有元素。
底層的資料結構是基於雙向連結串列的，該資料結構我們稱為節點
雙向連結串列節點對應的類Node的例項，Node中包含成員變數：prev，next，item。其中，prev是該節點的上一個節點，next是該節點的下一個節點，item是該節點所包含的值。
它的查詢是分兩半查詢，先判斷index是在連結串列的哪一半，然後再去對應區域查詢，這樣最多隻要遍歷連結串列的一半節點即可找到
3.HashMap:
HashMap是基於雜湊表的Map介面的非同步實現，允許使用null值和null鍵，但不保證對映的順序。
底層使用陣列實現，陣列中每一項是個單向連結串列，即陣列和連結串列的結合體；當連結串列長度大於一定閾值時，連結串列轉換為紅黑樹，這樣減少連結串列查詢時間。
HashMap在底層將key-value當成一個整體進行處理，這個整體就是一個Node物件。HashMap底層採用一個Node[]陣列來儲存所有的key-value對，當需要儲存一個Node物件時，會根據key的hash演算法來決定其在陣列中的儲存位置，在根據equals方法決定其在該陣列位置上的連結串列中的儲存位置；當需要取出一個Node時，也會根據key的hash演算法找到其在陣列中的儲存位置，再根據equals方法從該位置上的連結串列中取出該Node。
HashMap進行陣列擴容需要重新計算擴容後每個元素在陣列中的位置，很耗效能
採用了Fail-Fast機制，通過一個modCount值記錄修改次數，對HashMap內容的修改都將增加這個值。迭代器初始化過程中會將這個值賦給迭代器的expectedModCount，在迭代過程中，判斷modCount跟expectedModCount是否相等，如果不相等就表示已經有其他執行緒修改了Map，馬上丟擲異常
4.Hashtable:
Hashtable是基於雜湊表的Map介面的同步實現，不允許使用null值和null鍵
底層使用陣列實現，陣列中每一項是個單鏈表，即陣列和連結串列的結合體
Hashtable在底層將key-value當成一個整體進行處理，這個整體就是一個Entry物件。Hashtable底層採用一個Entry[]陣列來儲存所有的key-value對，當需要儲存一個Entry物件時，會根據key的hash演算法來決定其在陣列中的儲存位置，在根據equals方法決定其在該陣列位置上的連結串列中的儲存位置；當需要取出一個Entry時，也會根據key的hash演算法找到其在陣列中的儲存位置，再根據equals方法從該位置上的連結串列中取出該Entry。
synchronized是針對整張Hash表的，即每次鎖住整張表讓執行緒獨佔
5.ConcurrentHashMap:
ConcurrentHashMap允許多個修改操作併發進行，其關鍵在於使用了鎖分離技術。
它使用了多個鎖來控制對hash表的不同段進行的修改，每個段其實就是一個小的hashtable，它們有自己的鎖。只要多個併發發生在不同的段上，它們就可以併發進行。
ConcurrentHashMap在底層將key-value當成一個整體進行處理，這個整體就是一個Entry物件。Hashtable底層採用一個Entry[]陣列來儲存所有的key-value對，當需要儲存一個Entry物件時，會根據key的hash演算法來決定其在陣列中的儲存位置，在根據equals方法決定其在該陣列位置上的連結串列中的儲存位置；當需要取出一個Entry時，也會根據key的hash演算法找到其在陣列中的儲存位置，再根據equals方法從該位置上的連結串列中取出該Entry。
與HashMap不同的是，ConcurrentHashMap使用多個子Hash表，也就是段(Segment)
ConcurrentHashMap完全允許多個讀操作併發進行，讀操作並不需要加鎖。如果使用傳統的技術，如HashMap中的實現，如果允許可以在hash鏈的中間新增或刪除元素，讀操作不加鎖將得到不一致的資料。ConcurrentHashMap實現技術是保證HashEntry幾乎是不可變的。
6.HashSet: 無序不可重複
 HashSet實現Set介面，由雜湊表（實際上是一個HashMap例項）支援。它不保證set 的迭代順序；特別是它不保證該順序恆久不變。此類允許使用null元素。
 基於HashMap實現，API也是對HashMap的行為進行了封裝，可參考HashMap
7.LinkedHashMap:有序的
LinkedHashMap繼承於HashMap，底層使用雜湊表和雙向連結串列來儲存所有元素，並且它是非同步，允許使用null值和null鍵。
基本操作與父類HashMap相似，通過重寫HashMap相關方法，重新定義了陣列中儲存的元素Entry，來實現自己的連結列表特性。該Entry除了儲存當前物件的引用外，還儲存了其上一個元素before和下一個元素after的引用，從而構成了雙向連結列表。
LinkedHashMap 繼承自 HashMap，具有高效性，同時在 HashMap 的基礎上，又在內部增加了一個連結串列，用以存放元素的順序。LinkedHashMap 是基於元素進入集合的順序或者被訪問的先後順序排序,是有序的,按照存入的順序排序，而 TreeMap 則根據元素的 Key 進行排序。
8.LinkedHashSet:有序的
 LinkedHashSet是具有可預知迭代順序的Set介面的雜湊表和連結列表實現。此實現與HashSet的不同之處在於，後者維護著一個運行於所有條目的雙重連結列表。此連結列表定義了迭代順序，該迭代順序可為插入順序或是訪問順序。
注意，此實現不是同步的。如果多個執行緒同時訪問連結的雜湊Set，而其中至少一個執行緒修改了該Set，則它必須保持外部同步。
9.TreeMap:
TreeMap 是一個有序的key-value集合，它是通過紅黑樹實現的。
TreeMap 繼承於AbstractMap，所以它是一個Map，即一個key-value集合。
TreeMap 實現了NavigableMap介面，意味著它支援一系列的導航方法。比如返回有序的key集合。
TreeMap 實現了Cloneable介面，意味著它能被克隆。
TreeMap 實現了java.io.Serializable介面，意味著它支援序列化。
TreeMap基於紅黑樹（Red-Black tree）實現。該對映根據其鍵的自然順序進行排序，或者根據建立對映時提供的 Comparator 進行排序，具體取決於使用的構造方法。
TreeMap的基本操作 containsKey、get、put 和 remove 的時間複雜度是 log(n) 。
另外，TreeMap是非同步的。 它的iterator 方法返回的迭代器是fail-fastl的。
TreeMap實現SortMap介面，能夠把它儲存的記錄根據鍵排序。 
預設是按鍵值的升序排序，也可以指定排序的比較器，當用Iterator 遍歷TreeMap時，得到的記錄是排過序的。

併發包中適用於讀多寫少的併發場景的工具類有:ConcurrentHashMap  CopyOnWriteArrayList CopyOnWriteArraySet

CopyOnWriteArrayList：該容器採用了寫時複製(copy-on-write)的優化策略,即當需要向容器中新增元素時，不直接往當前容器中新增，而是複製一個新的容器，
再往新的容器中新增修改元素，操作完成之後再將原容器的引用指向新的容器。這樣做的好處是我們可以對CopyOnWrite容器進行併發的讀，
而不需要加鎖，因為當前容器不會新增任何元素。所以CopyOnWrite容器也是一種讀寫分離的思想，讀和寫不同的容器。
CopyOnWrite併發容器用於讀多寫少的併發場景。比如白名單，黑名單，商品類目的訪問和更新場景，假如我們有一個搜尋網站，使用者在這個網站的搜尋框中，輸入關鍵字搜尋內容，但是某些關鍵字不允許被搜尋。這些不能被搜尋的關鍵字會被放在一個黑名單當中，黑名單每天晚上更新一次。當用戶搜尋時，會檢查當前關鍵字在不在黑名單當中

程式碼很簡單，但是使用CopyOnWriteMap需要注意兩件事情：

　　1. 減少擴容開銷。根據實際需要，初始化CopyOnWriteMap的大小，避免寫時CopyOnWriteMap擴容的開銷。

　　2. 使用批量新增。因為每次新增，容器每次都會進行復制，所以減少新增次數，可以減少容器的複製次數。如使用上面程式碼裡的addBlackList方法。

CopyOnWrite容器有很多優點，但是同時也存在兩個問題，即記憶體佔用問題和資料一致性問題。所以在開發的時候需要注意一下。

　　記憶體佔用問題。因為CopyOnWrite的寫時複製機制，所以在進行寫操作的時候，記憶體裡會同時駐紮兩個物件的記憶體，舊的物件和新寫入的物件（注意:在複製的時候只是複製容器裡的引用，只是在寫的時候會建立新物件新增到新容器裡，而舊容器的物件還在使用，所以有兩份物件記憶體）。如果這些物件佔用的記憶體比較大，比如說200M左右，那麼再寫入100M資料進去，記憶體就會佔用300M，那麼這個時候很有可能造成頻繁的Yong GC和Full GC。之前我們系統中使用了一個服務由於每晚使用CopyOnWrite機制更新大物件，造成了每晚15秒的Full GC，應用響應時間也隨之變長。

　　針對記憶體佔用問題，可以通過壓縮容器中的元素的方法來減少大物件的記憶體消耗，比如，如果元素全是10進位制的數字，可以考慮把它壓縮成36進位制或64進位制。或者不使用CopyOnWrite容器，而使用其他的併發容器，如ConcurrentHashMap。

　　資料一致性問題。CopyOnWrite容器只能保證資料的最終一致性，不能保證資料的實時一致性。所以如果你希望寫入的的資料，馬上能讀到，請不要使用CopyOnWrite容器。

參考文獻: