Java八股文——集合

1. HashMap

　　基本信息：

• 數據結構：數據+鏈表，數組+鏈表+紅黑樹
  • jdk1.8中，當鏈表大小超過8時，就會轉換為紅黑樹，當小於6時變回鏈表，主要是根據泊松分布，在負載因子默認為0.75的時候，單個hash槽內元素個數為8的概率小於百萬分之一，所以將7作為一個分水嶺，等於7的時候不轉換，大於等於8的時候轉換，小於等於6轉為鏈表
• 默認大小：16
• 負載因子：0.75（原因：0.75的負載因子，能讓隨機hash更加滿足0.5的泊松分布

　　默認容量為什么是16？

• 當我們想要往一個hashmap中put元素的時候，需要通過hash方法計算出放到哪個桶中，hash方法是根據key來定位這個K-V在鏈表數組中的位置的，hash的公式：HashCode(key) & (length-1)，其實就是取模.
  用位運算來代替取模，主要就是因為位運算的效率較高。例如：X % 2^n = X & (2^n -1)，假設n為3，則2^3 = 8 ，表示為二進制就是1000，2^3 - 1 = 7，即0111，此時 X & (2^n -1)就相當於取X的二進制的最后三位數，從二進制角度來看，X / 8相當於 X >> 3 ，此時得到了X / 8 的商，而被移位的部分（后三位）就是 X % 8，也就是余數
  因此，如果保證map的長度是 2^n的話，就可以實現取模運算了
  那么為什么一定是16呢？
  關於這個默認容量的選擇，官方沒有給出相關解釋，應該是一個經驗值，需要在效率和內存使用上權衡，不能太小也不能太大
• 並且，Hashmap在兩個可能改變容量的地方做了兼容處理，一個是擴容，一個是初始化。
• 當我們初始化Map且設置了容量時，HashMap不一定會采用傳入的值，而是經過計算，得到一個新值，以提高hash效率，源碼中的算法就是根據用戶傳入的容量值，得到第一個比他大的二次冪返回

　　擴容：

·　　擴容的閾值是負載因子 * 當前容量。

1. 創建一個新的Entry數組，長度是原數組的兩倍
2. rehash：便利原Entry數組，將所有的Entry重新hash到新數組（重新hash是因為長度擴大之后，hash的值可能不同）

　　Hashmap是怎么放入數據的？（put方法）

• 首先判斷key是否是null，是的話hash值就是0，獲得hash值后進行擾動，1.7版本是5次異或4次位移，1.8是一次異或一次位移，然后根據計算出的新hash值找到對應的index，然后找到對應Node/Entity，遍歷鏈表/紅黑樹，遇到hash值相同且equals相同的，則覆蓋，不是則新增，如果節點數大於8就樹化。put完成后，判斷當前長度是否大於閾值，是就擴容
• 對於鏈表插入，1.7之前是頭插法，從1.8開始變成尾插法，主要是為了解決rehash出現的死循環問題，並且1.7的時候是先擴容再插入，而1.8是先插入后擴容。正常來說，如果先插入，就可能節點需要樹化，會多一次損耗，個人猜測，是由於讀寫問題，hashmap並不是線程安全的，如果先擴容后插入，那么擴容期間是訪問不到新放入的值的，所以先插入，在擴容期間是可以訪問到值的

　　為什么需要從頭插法變成尾插法？

• 在多線程的時候，如果不同的線程同時插入一個map，當達到擴容閾值時，兩個線程同時觸發擴容，而頭插法在循環中會導致某個節點發生循環指向，后續查找元素過程中就會發生死循環

　　HashMap線程不安全主要體現在：

1. 1.7多線程環境下，擴容會造成環形鏈表或數據丟失
2. 1.8多線程環境下，put方法會發生數據覆蓋的情況

　　如何處理HashMap的線程不安全的情況？

1. 使用Collection.synchronizedMap()創建線程安全的map
   • 實現線程安全的原理：
     SynchronizedMap內部維護了一個普通對象map和排斥鎖mutex，通過該方法創建出map之后，操作map就會以mutex對方法進行加鎖，mutex默認是SynchronizedMap，可以通過構造參數傳入
2. HashTable
   • 所有數據操作方法都加鎖，效率低不考慮
   • 不允許鍵值為null，HashMap可以
   • 使用安全失敗機制（fail-safe）而HashMap使用快速失敗機制（fail-fast），在安全失敗機制下，如果使用null，會使得無法判斷對應的key是不存在還是為空
3. ConcurrentHashMap
   • 結構與HashMap相同，但是采用了CAS + synchronized來保證安全性
   • 最大容量：1 << 30
   • PUT操作：
     1. 根據key計算出hashcode
     2. 判斷是否需要初始化
     3. 根據當前key定位的node，如果為空則可以寫入，利用CAS嘗試寫入，失敗則自旋保證成功
     4. 如果當前位置的hashcode == MOVED == -1，則需要擴容
     5. 如果都不滿足，則利用synchronized寫入數據
     6. 如果大於TREEIFY_THRESHOLD則需要轉換為紅黑樹
   • GET操作
     • 直接根據計算出來的hashcode尋址，如果在桶上直接返回，如果是紅黑樹則按照樹的方式獲取，如果不滿足則用鏈表方式遍歷獲取
   • 擴容
     • 1.7版本是基於segment，segment內部維護了HashEntity數組，所以擴容方式是在這個基礎上的，類似HashMap擴容
     • 1.8版本擴容較為復雜，利用了ForwardingNode，先根據機器內核數來分配每個線程能分到的busket數（最小是16），這樣可以做到多線程協助遷移，提升速度，然后根據自己分配的busket數來進行節點遷移，如果為空就放置ForwardingNode，代表遷移完成，如果是非空節點（判斷是不是ForwardingNode，是就結束了），加鎖，鏈路循環進行遷移
   • 為什么在Java8放棄了segment？
     • 由於在創建一個ConcurrentHashMap的時候，segment的數量就已經固定了，當需要進行擴容的時候，變化的是segment的大小，segment繼承了ReentrantLock，如果segment變得很大了，那么鎖的粒度就會變得很大，分段鎖就沒有意義了，每一個段就相當於一個同步的Map
     • 在java8中替換成了Node數組鏈表紅黑樹，並且因為ReentrantLock需要節點繼承AQS來獲得同步支持，會增大內存開銷，因此java8不使用ReentrantLock，改為synchronized，synchronized是jvm直接支持的，能夠在運行的時候進行相應的優化措施，比如鎖粗化，自旋等

2.List

1. ArrayList

   • 底層使用數組實現，查找與訪問較快，新增和刪除較慢
   • 實現了RandomAccess接口，可以隨機訪問
   • 默認初始容量 10
   • 以1.5倍擴容
   • 調用構造函數時只會初始化數組大小，而size這個變量不會初始化，此時如果調用set方法指定下標設置數據會拋出數組越界異常，因為set方法中是根據size來判斷是否可以設置當前下標的數據
   • 構造方法中，如果設置初始化大小為0，則數組擴容時，大小由0變為1
   • 無參構造方法中，數組默認大小也是0，但擴容時，大小由0變為10

2. LinkedList

   • 底層使用鏈表實現，新增與刪除較快，查找較慢
   • 內部維護了鏈表長度，以及頭尾節點，獲取長度不需要遍歷
   • 實現了隊列接口，具有隊列的先進先出的功能