Java集合框架(JCF)归纳总结

Java集合框架——JCF，在java 1.2版本中被加入，它包含了大量集合操作，是Java体系中的重要组成部分。网上已有很多JCF的框架图，这里根据自己的理解整理了一份JCF框架图如下：

JCF主要包含了Set、List、Queue、Map4个接口，笔者对于该框架图中每个类的理解进行了文字性的描述如下，大部分以关键字进行说明。

Set

HashSet

底层用`HashMap`实现
允许`null`值
不重复原理：HashMap.keySet()，`HashSet`的值用作`HashMap`的键

TreeSet

TreeMap排序，插入时比较次序，红黑树

为了实现排序，须满足以下1条：
TreeSet中的元素须实现Comparable接口
或者
构造TreeSet时须传入实现Comparable接口的类的对象

LinkedHashSet

继承自`HashSet`，构造方法全部调用父类同一个构造方法
底层实现为`LinkedHashMap`

List

List 特有的迭代器 ListIterator 接口，继承了 Iterator 接口

不仅可以正向遍历，还能反向遍历

ArrayList

since 1.2，非线程安全
实现了接口RandomAccess，随机访问(即，通过索引序号访问)效率最高，而使用迭代器的效率最低
内部数组实现，除非构造时指定大小，否则构造后为空数组，添加第一个元素时才分配默认大小10
增加元素时先扩容，扩容为原数组大小的1.5倍 或者 原大小+新增的元素个数
增删元素时调用System.arraycopy
删除、插入慢，查找快
删除元素、查找元素下标等操作时，从0遍历数组查看元素是否为`null`或equals比较

LinkedList

既是`List`，又是栈和队列
双向链表，节点`Node(item, next, prev)`，第一个元素`first`，最后一个元素`last`
删除、插入快，查找慢
通过索引随机访问元素时，判断集合大小的一半与索引大小，向前寻找`prev`或向后寻找`next`  
删除元素、查找元素下标等操作时，从`first`开始遍历数组查看元素是否为`null`或equals比较

Vector

since 1.0，线程安全
和ArrayList类似，实现了接口RandomAccess，内部以数组实现
除非构造时指定数组大小，否则构造时分配默认大小10
除非构造时指定扩容增量，否则扩容为原大小的两倍 或者 原大小+新增的元素个数
其余增删改查操作和`ArrayList`几乎相同

Stack

继承自`Vector`，将其作为栈使用
实现了5种栈的操作(包含增删查，`push`、 `pop`、 `peek`)
官方推荐使用`Deque`代替`Stack`

Queue

Queue

队列接口，提供增删查3种操作
每种操作有两种形式：
一种在操作失败时抛出异常
另一种在操作失败时返回`null`或`false`
所以该接口架构提供了6种方法

Deque

`double ended queue`，继承自`Queue`
两端都可以增删查的线性集合，可以表示栈和队列
所以提供的操作是`Queue`的两倍，共12种操作
另外还有`Queue`的6种方法和栈的`push`、 `pop`方法
其中栈和队列的方法分别对应它的12种方法中的一种

ArrayDeque

循环数组实现的双端队列
数组大小默认为16，`head`和`tail`分别为头尾索引，数组没有元素时两个索引相等
每次新增元素后，如果`head`和`tail`相等，说明数组已满，此时进行扩容
扩容后的大小为原数组两倍，分两次进行复制
第一次复制head右边的元素，第二次复制head左边的元素。
扩容后重置`head`为0，`tail`为数组大小`n`

PriorityQueue

优先队列：通过最小堆实现，根节点最小，不允许`null`元素
元素大小的比较可以通过元素本身的自然顺序，也可以通过构造时传入的比较器
底层实现为数组`Object[] queue`，将最小堆中的元素按照层序遍历的方式放入数组，默认大小为11
扩容时如果原大小不足64，则扩为原大小的两倍，否则扩为原大小的1.5倍
索引为`n`的节点的两个子节点索引分别为`2n+1`和`2n+2`，父节点索引为`(n-1)/2`
队列的3种操作：
`增`:上滤
`删`:下滤
`查`:直接返回`(size == 0) ? null : (E) queue[0]`

Map

HashMap

since 1.2
接收`null`的键值，存储着`Node(hash, key, value, next)`对象
线程不安全
顺序不能保证
拉链法：哈希桶数组+链表(jdk8.0+红黑树)
性能相关
    初始容量(16)，这是一种非常规的设计，常规的设计是把桶的大小设计为素数。相对来说素数导致冲突的概率要小于合数
        这里采用这种非常规设计，主要是为了在取模和扩容时做优化，同时为了减少冲突，HashMap定位哈希桶索引位置时，也加入了高位参与运算的过程。
    加载因子(0.75)
hash值的计算: `key`的`hashcode`的高16位和低16位的异或，主要是从速度、功效、质量来考虑
桶索引：利用位运算实现`hash`值对数组长度取余
时间复杂度
    常数(假设哈希函数保证元素在各个桶之间均匀分布)
    数组+链表：O(1)+O(n)
    数组+红黑树：O(1)+O(logn)
扩容时间点
    插入第一对键值对
    插入新键值对后键值对数量超过阙值
扩容过程
    哈希桶数组大小翻倍
    因为桶索引使用位运算得到，数组大小n为2的指数，所以`n-1`相当于比扩容前多使用了1个bit`1`，因此新的桶索引
    只需要看原来的hash值对应新增的那个bit是1还是0就好了，是0的话索引没变，是1的话索引变成“原索引+原哈希桶大小”
    这样既节省了计算时间，又能使之前冲突的节点有再次打散的可能。
存
    过程
        计算哈希桶索引，如果没冲突，直接插入新的键值对
        如果有冲突，判断是否为同一个key，是则更新键值对(新旧hash== 且 新旧key==或新旧key满足equals)
        如果不是一个key，判断是否为红黑树节点，如果是，直接插入新的树节点。
        如果不是树节点（说明链表大小还没达到转变为红黑树的阙值），遍历链表，查看是否有相同的key，有则更新对应的键值对
        如果遍历结束仍没找到相同的key，则在链表末尾插入新的键值对，此时如果链表长度太长(默认超过8)，就将链表转换为红黑树，从而提高速度
    结果

        在链表起始或链表末尾处插入新键值对

        在链表起始或链表某个节点处更新键值对
        将更新后的键值对移至链表末尾

取
    计算哈希桶索引，如果桶中第1个节点为`null`，则返回`null`
    如果有节点，判断是否为同一个key，是则返回该节点的值
    如果不是，判断是否为红黑树节点，是的话直接查找该树节点，并返回它的值
    如果不是树节点，则遍历链表查看是否有相同的key，有则返回对应节点的值
    如果遍历结束仍没有找到相同的key，则返回`null`
    注意：返回`null`也可能是对应key的值就是`null`

TreeMap

since 1.2
为了实现排序，须满足以下1条：
`key`须实现Comparable接口
或者
构造`TreeMap`时须传入实现Comparable接口的类的对象，将其赋值给比较器`comparator`

内部实现为红黑树，根节点`root`，节点对象`Entry(key、value、left、right、parent、color)`
红黑树是满足如下条件的二叉查找树：
    每个节点要么是红色，要么是黑色
    根节点必须是黑色
    红色节点不能连续（即：红色节点的孩子和父亲都不能是红色）
    对于每个节点，从该点至null（树尾端）的任何路径，都含有相同个数的黑色节点
存
    判断根节点是否为`null`，是的话则将当前键值对保存为根节点
    否则从根节点开始，用`comparator`或者`key`本身与当前节点的`key`进行比较，如果相等则更新当前节点的值
    否则根据比较值的正负，继续与当前节点的右左子节点比较，直至到达叶节点
    如果到达叶节点后，则插入新的节点，并旋转红黑树，使树重新平衡

取
    从根节点开始，用`comparator`或者`key`本身与当前节点的`key`进行比较，如果相等则返回当前节点的值
    否则根据比较值的正负，继续与当前节点的右左子节点比较，直至找到`key`相同的节点
    如果遍历结束，仍没有找到相同的节点，则返回`null`
删
    和取一样，找到`key`对应的`Entry`，如果找不到则返回
    否则删除这个节点，然后使树重新平衡

LinkedHashMap

继承自`HashMap`，结构基本和`HashMap`一样，二者唯一的区别是它在`HashMap`的基础上，将所有元素链接了起来，形成一个双向链表
因此它的元素对象`Entry`继承自`HashMap.Node`，多了`before`和`after`两个属性
元素`head`和`tail`分别指向双向链表的头尾，便于链表的遍历
这个双向链表的遍历有两种顺序：`insertion-order (默认顺序)`和`access-order`
当采用`insertion-order`时，增查操作同`HashMap`，同时迭代顺序和插入顺序相同
当采用`access-order`时，可用于构建`LRU`缓存，新增元素后可选择是否删除最旧的元素，查找元素后将该元素置于双向链表的末尾

非集合框架

Hashtable

since 1.0，线程安全，继承自抽象类`Dictionary`
不接收`null`的键值
拉链法：哈希桶数组+链表
其他和`HashMap`类似

参考资料：
1. Java 8源码
2. 深入理解Java集合框架
3. 数据结构与算法系列
4. Data Structures & Algorithms