前言：
在分布式Java应用之集合框架篇（上）一文中，从整体上对Java分布式应用中的集合框架进行了介绍，以及对于其中的List家族给出了源码分析；本文将继续介绍集合框架中的Set家族和Map家族，其实Set家族和Map家族之间是有着很深的渊源，在本文的后续内容中，将从两大家族的成员的关键实现进行源码层面的分析！
首先，还是给出集合框架的整体类图关系，通过类图展开下面的介绍；
对于Collection接口的子接口Set来说，接口的实现类同样是存放一系列有序的元素，且这些元素均为一个个单体对象，相比于List家族中的实现类而言，最大的区别在于List接口的实现类可以存放重复的元素（即元素之间通过==或equals判断为true），而Set接口的实现类不可以存放重复的元素；
我们先看一下，Set家族中常用的实现类HashSet，下面是HashSet类的底层实现源码：
//底层元素的存储结构
private transient HashMap<E,Object> map;
/**
* 构造一个新的空集合，实际上就是构造了一个初始容量为16，负载因子为0.75的HashMap对象作为底层存储
*/
public HashSet() {
map = new HashMap<>();
}
/**
* 构造一个新的空集合，实际上就是构造了一个初始容量为指定容量，负载因子为指定负载因子的HashMap对象作为底层存储
* @param initialCapacity 初始化容量
* @param loadFactor 负载因子
* @throws IllegalArgumentException 如果初始化容量参数为负数，或负载因子不为正数，那么将会抛出异常
*/
public HashSet(int initialCapacity, float loadFactor) {
map = new HashMap<>(initialCapacity, loadFactor);
}
/**
* 构造一个新的空集合，实际上就是构造了一个初始容量为指定容量，负载因子为默认负载因子0.75的HashMap对象作为底层存储
* @param initialCapacity 初始化容量
* @throws IllegalArgumentException 如果初始化容量为负数，则抛出异常
*/
public HashSet(int initialCapacity) {
map = new HashMap<>(initialCapacity);
}
从上述源码可以看出，HashSet底层采用HashMap实现，因此想要理解HashSet的具体实现原理，首先需要搞清楚HashMap的底层实现原理，而HashMap又是Map家族的成员，这就正好印证了本文开头处给出了言论：Set家族与Map家族是有很深的渊源的，底层都是相似的，渊源当然不会小！
那么，我们就将Set家族放下，先看一看Map家族的核心成员及其实现原理；通过集合框架图可以看出，其实研究Map也就是研究HashMap，下面对HashMap类的底层结构以及常用操作的实现进行源码分析；
HashMap底层存储结构：
/**
* 采用数组实现的底层存储结构，数组元素类型是内部类Node，数组在有必要的时候，
* 会进行扩容；当为数组分配内存时，数组的大小始终保持为2的整数次幂(JDK1.8中的HashMap
* 相关优化的基础)
*/
transient Node<K,V>[] table;
从这里可以看出，HashMap底层的基本数据结构是数组，而数组的元素类型是Node<K,V>，下面是Node<K,V>的源码：
/**
* 基本的hash节点类，HashMap大多数元素都是以这种结构进行包装存放的
*/
static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
final int hash;//哈希值
final K key;//键
V value;//值
Node<K,V> next;//关键字段，底层结构的实现基础
Node(int hash, K key, V value, Node<K,V> next) {
this.hash = hash;
this.key = key;
this.value = value;
this.next = next;
}
public final K getKey() { return key; }
public final V getValue() { return value; }
public final String toString() { return key + "=" + value; }
//final修饰的方法，不可以被重写，保证hashcode求法的一致性
public final int hashCode() {
return Objects.hashCode(key) ^ Objects.hashCode(value);
}
public final V setValue(V newValue) {
V oldValue = value;
value = newValue;
return oldValue;
}
//核心方法，用于比较节点是否相同
public final boolean equals(Object o) {
if (o == this)
return true;
if (o instanceof Map.Entry) {
Map.Entry<?,?> e = (Map.Entry<?,?>)o;
if (Objects.equals(key, e.getKey()) &&
Objects.equals(value, e.getValue()))
return true;
}
return false;
}
}
从源码可以看出Node<K,V>实现了Map接口中的子接口Entry<K,V>，关键看一下Node<K,V>的字段，可以看到，每一个Node<K,V>对象都有四个字段，分别是hash、key、value以及next；hash、key、value不用说，直接看next，next属性是Node<K,V>类型的，这与链表是相同的，那么可以断定Node<K,V>是一个链表节点类；
小结：
HashMap底层采用的是数组+链表实现的存储结构，每一个数组元素都可以看做是一个链表；
下面看一下HashMap对象的常用操作：
添加键值对：put(K key, V value)
/**
* 计算键的哈希值，然后将哈希值的高16位与低16位按位与，得到的结果作为最后参与哈希桶定位的哈希值
* 这样可以保证当数组长度较小时，高位能够参与哈希桶的定位操作，这是在速度、效率以及质量方面对定位
* 操作的一种折中处理
*/
static final int hash(Object key) {
int h;
//如果key为null，则默认在数组的第一个桶中进行插入
return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
}
/**
* 初始化数组或者扩容2倍，如果为null，则按照threshold的值分配数组；
* 否则，扩容两倍，优化向新数组中移动元素时的操作
* @return 新的数组
*/
final Node<K,V>[] resize() {
Node<K,V>[] oldTab = table;
//判断当前数组是否为null，如果为null，说明还没有初始化数组
int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;
int oldThr = threshold;
int newCap, newThr = 0;
//如果当前数组的容量大于0，说明需要进行扩容
if (oldCap > 0) {
//如果当前数组的容量已经超过MAXIMUM_CAPACITY，那么不可以进一步扩容，将threshold赋值为最大上限值
if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
threshold = Integer.MAX_VALUE;
return oldTab;
}
//如果当前数组的容量没有超过MAXIMUM_CAPACITY，那么就扩大两倍，同时将新数组对应的threshold也扩大两倍
else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&
oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
newThr = oldThr << 1; // double threshold
}
//如果当前数组的容量不大于0，说明需要初始化，如果当前数组的threshold大于0，那么threshold的值就是新的数组容量
else if (oldThr > 0)
// initial capacity was placed in threshold
newCap = oldThr;
else {
// 否则表示使用默认的初始化容量作为数组的新容量
newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;
newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);
}
//如果当前threshold为0，那么就会计算新的threshold
if (newThr == 0) {
float ft = (float)newCap * loadFactor;
newThr = (newCap < MAXIMUM_CAPACITY && ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY ?
(int)ft : Integer.MAX_VALUE);
}
//更新threshold
threshold = newThr;
//创建新数组，并将旧数组中的元素移动到新数组中
@SuppressWarnings({"rawtypes","unchecked"})
Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap];
table = newTab;
if (oldTab != null) {
for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {
Node<K,V> e;
if ((e = oldTab[j]) != null) {
oldTab[j] = null;
if (e.next == null)
newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;
else if (e instanceof TreeNode)
((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);
else {
// 保持原有顺序对链表中的元素进行迁移
Node<K,V> loHead = null, loTail = null;
Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null;
Node<K,V> next;
do {
next = e.next;
//原位置不动
if ((e.hash & oldCap) == 0) {
if (loTail == null)
loHead = e;
else
loTail.next = e;
loTail = e;
}
//移动oldCap个位置
else {
if (hiTail == null)
hiHead = e;
else
hiTail.next = e;
hiTail = e;
}
} while ((e = next) != null);
if (loTail != null) {
loTail.next = null;
newTab[j] = loHead;
}
if (hiTail != null) {
hiTail.next = null;
newTab[j + oldCap] = hiHead;
}
}
}
}
}
return newTab;
}
// 构造一个常规节点（非树节点）
Node<K,V> newNode(int hash, K key, V value, Node<K,V> next) {
return new Node<>(hash, key, value, next);
}
/**
* 将以key和value映射的键值对插入HashMap中，如果HashMap中已经存在以key为键的键值对
* 那么就以value替换已有键值对的值
* @return 如果已存在以key为键的键值对，那么就返回旧值；否则，返回null
*/
public V put(K key, V value) {
return putVal(hash(key), key, value, false, true);
}
/**
* 实现Map接口中的put方法
* @param hash 键的哈希值
* @param key 键
* @param value 值
* @param onlyIfAbsent 如果为true，那么不会修改已存在的键值对
* @param evict 如果为false，那么数组处于创建模式
* @return 返回旧值或null
*/
final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
boolean evict) {
Node<K,V>[] tab;
Node<K,V> p;
int n, i;
//判断当前table属性是否为null或者table属性的长度是否为0；如果是则调用resize()对table进行初始化
if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
n = (tab = resize()).length;
//利用数组长度减一的值与hash进行按位与，来定位键值对应该插入的桶位置
//判断该位置处的数组元素是否为null；如果为null，则构造一个新的Node对象放到数组的该位置上
if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
else {
//如果不为null，发生哈希冲突
Node<K,V> e; K k;
//如果数组元素的哈希值与待插入键值对的哈希值相等且键相等，则找到冲突元素，更新该键值对的值
if (p.hash == hash && ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
e = p;
//如果数组元素与待插入键值对没有发生冲突，则判断数组元素的类型
else if (p instanceof TreeNode)
//数组元素为TreeNode类型，调用TreeNode的putTreeVal方法将键值对进行插入处理
e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
else {
//数组元素为Node类型，则按照链表结构进行查找插入
for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
if ((e = p.next) == null) {
//如果到了链表尾部都没有找到相等的键值对，就将键值对插入链表尾部
p.next = newNode(hash, key, value, null);
//如果当前位置的桶中的节点数超过TREEIFY_THRESHOLD，就将链表结构转换为红黑树结构，结束查找
if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
treeifyBin(tab, hash);
break;
}
//如果找到相等的键值对，就结束循环
if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
break;
p = e;
}
}
//如果e不为null，说明查找到相等的键值对，那么替换已有的键值对中的值
if (e != null) { // existing mapping for key
V oldValue = e.value;
if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
e.value = value;
afterNodeAccess(e);
return oldValue;
}
}
//结构调整次数加一
++modCount;
//如果插入后的键值对数量超过threshold，则进行扩容操作
if (++size > threshold)
resize();
afterNodeInsertion(evict);
return null;
}
小结：
对于键值对的put操作，需要注意的地方有：哈希值的求取、哈希桶定位、链表与红黑树转换、扩容以及扩容之后键值对的移动（保持原有链表的顺序），key为null元素的插入位置、键值对在链表尾部插入等；
put操作的流程梳理：
首先，判断当前数组是否还没有初始化，没有初始化先初始化，如果初始化过了，那么进行哈希值的求取以及哈希桶的定位；定位之后，根据数组元素是否为null，进行分情况处理；如果元素为null，直接插入键值对，如果不为null，则判断是否键相等，相等替换旧值，如果不相等，进入下一步；判断数组元素的类型，如果是红黑树，则按照红黑树的方法进行插入，如果是链表则按照链表的方式进行插入，插入的过程中需要判断是否需要进行链表与红黑树之间的转换；插入之后，判断是否需要进行扩容，如果需要扩容，则进行扩容；否则，方法结束
类似的常用操作还有删除键值对：remove(Object key)，获取键值对：get(Object key)等等，但是核心的东西在上面的方法中已经给出，不同的方法关键的东西差不多，所以这里不再详述；
通过分析我们对HashMap的关键实现已经有了一个大概的理解，下面回过头来看一下文章开头提到的HashSet，现在看HashSet就可以知道，底层采用的是HashMap来实现的，放入HashSet中的元素都是作为键值对的key放入底层的HashMap实例中的，而键值对中的value对于HashSet来说是无关紧要的，所以每一个键值对都会共用一个Object对象作为value；
既然是基于HashMap实现HashSet的，那么HashSet中的常用操作也就利用HashMap中对应的方法来实现，因此这里就不给出源码分析，相信理解了HashMap的操作就可以类推出HashSet的操作是如何实现的！
以上就是Set家族和Map家族中的最常用的实现类成员，通过上述的分析，对于这两个家族有了比较深的认识和理解，其实对于HashMap其实还有一个比较关键的东西尚未提及，比如JDK1.8之前，多线程并发操作HashMap实例可能会出现死循环，导致CPU占用率一致飙高等问题，但是由于本文只是对常用实现类的常用操作的实现进行分析，故此处不再赘述其他内容；
总结：
通过本文以及分布式Java应用之集合框架篇（上）这两篇文章，我们对于集合框架中的常用实现类有了一定的认识，但是细细观察可以发现，其实这些常用实现类中大都不是线程安全的，在多线程、高并发大行其道的今天，对于线程安全的问题十分关注，那么，我们就必须掌握如何在并发的场景下使用这些集合类，后面将会对JDK中并发包JUC中的常用类进行分析，由于个人的理解能力有限，因此有不对的地方还希望读者可以指出，不胜感激！