概述
java中的集合类应用非常广泛，而且性能也很好，所以，往往我们都不太注意他们的底层实现原理，但是面试中面试官很喜欢问这些集合类的底层实现原理，那问题来了，掌握这些原理有没有用？（当然这个有用是除了装*之外的^_^），举个例子来说，比如我知道ArrayList是线程不安全的，当多线程时会有问题，我百度一下，查到Vector是线程安全的，我就使用Vector，但是因为Vector底层是用Synchronized实现的线程安全，而synchronized的性能又很低，如果贸然使用Vector就会有问题，所以明白原理还是很重要的。下面主要介绍3中java中常用的集合类。
List类型集合类：
ArrayList、LinkList、Vector、CopyAndWriteArrayList
Map类型集合类：
HashMap、HashTable、LinkHashMap、ConcurrentHashMap
Set类型集合类：
HashSet、TreeSet
详细介绍
ArrayList介绍
使用方法就不用说了，大家应该都知道，而且一些常识也都知道，比如ArrayList线程不安全等，下面讲一下平时可能忽略的几个点。
一、ArrayList使用 List list = new ArrayList();初始化之后默认的存储类型是什么？
默认的存储类型是Object.
二、ArrayList底层是数组结构，那初始化时数组的长度是多少，如果ArrayList长度不够用，扩容时扩容大小是多少？
初始化时默认的长度是10，扩容时是在原来的基础上的1.5倍，扩容时并不是直接在原来的数组基础上新增空闲容量，而是开辟一个新的空间，大小为原来的1.5倍，然后把原来的数据复制过去，至于为什么这样做，这是数组这种数据结构导致的，因为数组一旦初始化之后就不能扩容。
三、ArrayList是线程不安全的，为什么？
先看一下ArrayList中的add方法：
/** * The size of the ArrayList (the number of elements it contains). * * @serial */ private int size; /** * Appends the specified element to the end of this list. * * @param e element to be appended to this list * @return <tt>true</tt> (as specified by {@link Collection#add}) */ public boolean add(E e) { ensureCapacityInternal(size + 1); // Increments modCount!! elementData[size++] = e; return true; }
其一、
这里的elementData[size++] = e;并不是一个原子操作，多线程时可能会有下面的情况发生，A和B两个线程都获取到size = 5，之后同时执行了size++,都变成了6，然后再向数组中赋值，这样会导致你想插入100个值，但实际并没有那么多。
其二、
ArrayList 默认数组大小为 10。假设现在已经添加进去 9 个元素了，size = 9。
线程 A 执行完 add 函数中的ensureCapacityInternal(size + 1)挂起了。
线程 B 开始执行，校验数组容量发现不需要扩容。于是把 "b" 放在了下标为 9 的位置，且 size 自增 1。此时 size = 10。
线程 A 接着执行，尝试把 "a" 放在下标为 10 的位置，因为 size = 10。但因为数组还没有扩容，最大的下标才为 9，所以会抛出数组越界异常 ArrayIndexOutOfBoundsException
四、java8中ArrayList的新特性
1.在java8中Collection集合接口中新增了Spliterator如下，至于Spliteroator的作用，参考这篇文章：
@Override default Spliterator<E> spliterator() { return Spliterators.spliterator(this, 0); }
2.stream流处理
关于stream流，之后会单独写一篇文章，目前先参考这篇文章
LinkList和Vector介绍
由于这两个用的并不是很多，就简要介绍一下，LinkList的底层使用的是链表结构，所以对于插入，删除操作时很快的，但是对于查找就不是很快了。Vector基本和ArrayList相似，区别就是ArrayList会产生线程不安全的地方，Vector都加了个Synchronized关键字修饰，保证线程安全。
CopyOnWriteArrayList介绍
以上介绍的所有list集合类都不能解决并发迭代和写的问题，Vector虽然是线程安全的，只是解决了并发写的时候的问题，但是如果存在并发迭代和写情况就会报：java.util.ConcurrentModificationException，只有CopyOnWriteArrayList解决了这个问题，那是怎么解决的呢？看下面add方法源码：
/** The array, accessed only via getArray/setArray. */ private transient volatile Object[] array; /** * Appends the specified element to the end of this list. * * @param e element to be appended to this list * @return {@code true} (as specified by {@link Collection#add}) */ public boolean add(E e) { final ReentrantLock lock = this.lock;//重入锁 lock.lock();//加锁啦 try { Object[] elements = getArray(); int len = elements.length; Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);//拷贝新数组 newElements[len] = e; setArray(newElements);//将引用指向新数组，由于volatile保证可数组引用的可见性，所以当这句执行之后，别的读线程就可以获取到最新的值，但是有一个问题就是如果还没有执行到这句，别的线程读到的还是旧数据 return true; } finally { lock.unlock();//解锁啦 } }
通过上面的源码可以看出，CopyOnWriteArrayList每次添加一个新元素就重新建一个数组，对于数据的所有读操作还是在旧数组上执行，而写操作在新的数组执行，就是实现了读写分离，其实数据库的主从库也是这样设计的，就是主库主要是用来做写操作，从库主要做读操作，这样可以增加并发性，但是却牺牲了数据的实时性。上面这种读写分离的设计好处已经说了，缺点也很明显，就是不适合写多的场景，特别是数组中数据量很大的时候，一直新建数组是很耗内存的，反之，也就是说这玩意适合读多写少的场景。
HashMap介绍
同样HashMap基本使用很容易，类似于python中的字典结构。下面介绍一下平时不注意的地方。
一、HashMap的底层存储结构是什么？
java1.7底层存储结构是：数组+链表，java1.8底层存储结构是：数组+链表+红黑树，至于这种组合方式怎么存储下面会介绍
二、HashMap是根据Hash算法存储的，那Hash算法是什么？
举个简单的例子说明一下什么是hash算法，做过分表的同学都知道，比如mysql中单表的数据超过千万查询就会很慢，往往都会采用分表的方式，就是把1000万数据分到很多表中，那问题来了，怎么确定哪些数据到哪张表中呢？这个时候有一个专业的术语叫做路由，其实就是寻找目的表，还是上面的例子，比如分了100张表，如果主键id是int类型的，只需要用主键和100取余就可以确定该条数据应该保存到哪张表中，这就是hash算法。
但是，上面对于分表没问题，但是对于hashMap就有问题了，比如下面的例子：
public void test(){ /**假设hash算法为a%10*/ Map map = new HashMap(); map.put(1,"苗若兰"); map.put(11,"程灵素"); }
上面的示例put进入两个元素，但是经过hash算法之后这两条数据的余数都是1，会存到一个位置上，这就是hash冲突。
三、结合以上一和二的介绍，讲一下hashmap具体的存储方式。
hashmap的主要存储是数组，当初始化hashmap的时候并不会初始化数组，而是等到put数据时才会初始化，初始化数组的长度为16.如果现在要保存16个元素，没有冲突，会非常完美（这里只是举例子，其实不会存到16，会有一个负载因子的概念在里面），但是如果产生了hash冲突，就是多个元素保存到数组的同一个位置，这是hashmap是怎么做的呢，就是把冲突的元素保存成一个链表，如果链表的长度超过8，会把链表转化为红黑树。参考下图
由于hashmap的这种设计方式，极端情况下会发生一个什么问题呢？就是有很多的key发生hash冲突，导致查询性能变慢，为什么这么说呢？如果没有hash冲突，直接经过hash算法查找是一次性就找到了，时间复杂度O(1)，如果转化为红黑树之后，时间复杂度是O(log(n))(注：n表示红黑树节点个数)，关于hash算法的详细介绍参考这篇文章
四、HashMap线程不安全，为什么？
java7中在高并发写的时候，当发生hash冲突之后，可能会生成一个循环链表，当去读这个数据的时候发生死循环，这里就不做分析了，感兴趣的参考这篇文章：老生常谈，HashMap的死循环，不过java8中已经修复了这个问题。
ConcurrentHashMap介绍
java7：
采用的是分段锁，就是多个hashTable组成一个concurrentHashMap，避免了对整个数组加锁，那什么是分段锁呢？之前看过一篇博客在优化电商秒杀场景时提出的一个解决方案，就是一个经典的分段锁的使用，下面介绍一下这个大家就明白了。如果仓库中的HuaWei p20的库存是1000台，为了防止库存超卖，会采用加锁机制，就是每次用户下单的时候就检查一下库存还够不够，但是检查的时候就要加锁，防止多线程一起检查一起买出问题，会出什么问题呢？比如A和B线程同时检查库存还有一个1台，都判断可以卖，这样就会出问题。上面解释了加锁的问题，但是这样做会引发另一个问题，就是性能太差，每次只能一个线程判断。那有没有更好的解决方案？其中一个解决方案就是分段加锁，具体怎么做呢？就是把1000台手机分成很多份，比如50台为一份，总共分成20份，然后呢多线程进来之后会采用一种路由方式去其中一份，然后对这个请求加锁，这样一次就可以同时处理20个请求，性能提高了20倍。这就是分段锁的简单解释。concurrenthashmap也是采用这种方式。
java8：
java8放弃了这种方式，而是采用乐观锁加synchronized来实现，具体怎么做的呢，就是如果不发生hash冲突就是用乐观锁来实现，如果发生了hash冲突就使用synchronized关键字来对发生冲突的链表或者红黑树加锁。
HashTable介绍
hashtable其实就是对hashmap会发生线程不安全的地方使用synchronized加同步锁实现的。（另外说一个小细节,hashtable的key,value不能为null，网上很多解释说无法分辨是因为hash表中不存在还是因为value本身为null，这个解释显然是错的，因为hashtable的contain方法也是一个全局锁，完全可以判断这个key在hash表中是否存在，而不会发生当调用contain方法时有其他线程修改了hashTable）。
HashSet介绍
hashset不用过多介绍，底层是通过hashmap实现的，因为hashmap的key本身就不允许重复。
TreeSet介绍
上面忘了介绍TreeMap,类似于HashSet是基于HashMap,TreeSet是基于TreeMap的，TreeMap的底层存储是使用红黑树实现的，之前介绍hashmap的时候讲到当发生hash冲突，而且发生冲突的个数超过8时会转化为红黑树，这里的treemap直接使用红黑树存储。
总结：
写这篇文章之前，本打算把各个集合类的源码通读一遍，奈何没有耐心，只读了部分关键源码，看源码的过程中我发现，源码和我们平时写的代码有很多地方不太一样，非常简洁。。。或许只是和我写的不太一样，之后有时间再补上详细内容。
待补盲点：
1.java7中的concurrenthashmap中key,value不能为null，这个好理解，但是java8为什么也不能为null呢？
2.concurrenthashmap听说最麻烦的地方就是扩容，具体怎么实现的？
3.hashmap目前使用hash function是什么？是怎么可以规避大面积hash冲突的？