JAVA基础学习笔记-day14-数据结构与集合源码2

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尚硅谷宋红康2023大数据教程
君以此始，亦必以终。—左丘明《左传·宣公十二年》

7. List接口分析

7.1 List接口特点

• List集合所有的元素是以一种线性方式进行存储的，例如，存元素的顺序是11、22、33。那么集合中，元素的存储就是按照11、22、33的顺序完成的）。
• 它是一个元素存取有序的集合。即元素的存入顺序和取出顺序有保证。
• 它是一个带有索引的集合，通过索引就可以精确的操作集合中的元素（与数组的索引是一个道理）。
• 集合中可以有重复的元素，通过元素的equals方法，来比较是否为重复的元素。

注意：

List集合关心元素是否有序，而不关心是否重复，请大家记住这个原则。例如“张三”可以领取两个号。

• List接口的主要实现类
  • ArrayList：动态数组
  • Vector：动态数组
  • LinkedList：双向链表
  • Stack：栈

7.2 动态数组ArrayList与Vector

Java的List接口的实现类中有两个动态数组的实现：ArrayList 和 Vector。

7.2.1 ArrayList与Vector的区别

它们的底层物理结构都是数组，我们称为动态数组。

• ArrayList是新版的动态数组，线程不安全，效率高，Vector是旧版的动态数组，线程安全，效率低。
• 动态数组的扩容机制不同，ArrayList默认扩容为原来的1.5倍，Vector默认扩容增加为原来的2倍。
• 数组的初始化容量，如果在构建ArrayList与Vector的集合对象时，没有显式指定初始化容量，那么Vector的内部数组的初始容量默认为10，而ArrayList在JDK 6.0 及之前的版本也是10，JDK8.0 之后的版本ArrayList初始化为长度为0的空数组，之后在添加第一个元素时，再创建长度为10的数组。原因：
  • 用的时候，再创建数组，避免浪费。因为很多方法的返回值是ArrayList类型，需要返回一个ArrayList的对象，例如：后期从数据库查询对象的方法，返回值很多就是ArrayList。有可能你要查询的数据不存在，要么返回null，要么返回一个没有元素的ArrayList对象。

7.3 链表LinkedList

Java中有双链表的实现：LinkedList，它是List接口的实现类。
LinkedList是一个双向链表，如图所示：

7.3.1 链表与动态数组的区别

动态数组底层的物理结构是数组，因此根据索引访问的效率非常高。但是非末尾位置的插入和删除效率不高，因为涉及到移动元素。另外添加操作时涉及到扩容问题，就会增加时空消耗。
链表底层的物理结构是链表，因此根据索引访问的效率不高，即查找元素慢。但是插入和删除不需要移动元素，只需要修改前后元素的指向关系即可，所以插入、删除元素快。而且链表的添加不会涉及到扩容问题。

8. Map接口分析

8.1 哈希表的物理结构

HashMap和Hashtable底层都是哈希表（也称散列表），其中维护了一个长度为2的幂次方的Entry类型的数组table，数组的每一个索引位置被称为一个桶(bucket)，你添加的映射关系(key,value)最终都被封装为一个Map.Entry类型的对象，放到某个table[index]桶中。

使用数组的目的是查询和添加的效率高，可以根据索引直接定位到某个table[index]。

8.2 HashMap中数据添加过程

8.2.1 JDK7中过程分析

// 在底层创建了长度为16的Entry[] table的数组
HashMap map = new HashMap(); 

map.put(key1,value1);
/*
分析过程如下：

将(key1,value1)添加到当前hashmap的对象中。首先会调用key1所在类的hashCode()方法，计算key1的哈希值1，
此哈希值1再经过某种运算(hash())，得到哈希值2。此哈希值2再经过某种运算(indexFor())，确定在底层table数组中的索引位置i。
   （1）如果数组索引为i上的数据为空，则(key1,value1)直接添加成功   ------位置1
   （2）如果数组索引为i上的数据不为空，有(key2,value2)，则需要进一步判断：
       判断key1的哈希值2与key2的哈希值是否相同：
         （3） 如果哈希值不同，则(key1,value1)直接添加成功   ------位置2
              如果哈希值相同，则需要继续调用key1所在类的equals()方法，将key2放入equals()形参进行判断
                （4） equals方法返回false : 则(key1,value1)直接添加成功   ------位置3
                      equals方法返回true : 默认情况下，value1会覆盖value2。

位置1：直接将(key1,value1)以Entry对象的方式存放到table数组索引i的位置。
位置2、位置3：(key1,value1) 与现有的元素以链表的方式存储在table数组索引i的位置，新添加的元素指向旧添加的元素。

...
在不断的添加的情况下，满足如下条件的情况下，会进行扩容:
if ((size >= threshold) && (null != table[bucketIndex])) :
默认情况下，当要添加的元素个数超过12(即：数组的长度 * loadFactor得到的结果)时，就要考虑扩容。

补充：jdk7源码中定义的：
static class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V>
*/

map.get(key1);
/*
① 计算key1的hash值，用这个方法hash(key1)

② 找index = table.length-1 & hash;

③ 如果table[index]不为空，那么就挨个比较哪个Entry的key与它相同，就返回它的value
*/

map.remove(key1);
/*
① 计算key1的hash值，用这个方法hash(key1)

② 找index = table.length-1 & hash;

③ 如果table[index]不为空，那么就挨个比较哪个Entry的key与它相同，就删除它，把它前面的Entry的next的值修改为被删除Entry的next
*/

8.2.2 JDK8中过程分析

下面说明是JDK8相较于JDK7的不同之处：

/*
①
使用HashMap()的构造器创建对象时，并没有在底层初始化长度为16的table数组。

②
jdk8中添加的key,value封装到了HashMap.Node类的对象中。而非jdk7中的HashMap.Entry。

③
jdk8中新增的元素所在的索引位置如果有其他元素。在经过一系列判断后，如果能添加，则是旧的元素指向新的元素。而非jdk7中的新的元素指向旧的元素。“七上八下”

④
jdk7时底层的数据结构是：数组+单向链表。 而jdk8时，底层的数据结构是：数组+单向链表+红黑树。
红黑树出现的时机：当某个索引位置i上的链表的长度达到8，且数组的长度超过64时，此索引位置上的元素要从单向链表改为红黑树。
如果索引i位置是红黑树的结构，当不断删除元素的情况下，当前索引i位置上的元素的个数低于6时，要从红黑树改为单向链表。

*/

8.3 HashMap源码剖析

8.3.1 JDK1.7.0_07中源码

8.3.2 JDK1.8.0_271中源码

1、Node
key-value被封装为HashMap.Node类型或HashMap.TreeNode类型，它俩都直接或间接的实现了Map.Entry接口。
存储到table数组的可能是Node结点对象，也可能是TreeNode结点对象，它们也是Map.Entry接口的实现类。即table[index]下的映射关系可能串起来一个链表或一棵红黑树。

8.4 LinkedHashMap源码剖析

8.4.1 源码

内部定义的Entry如下：

static class Entry<K,V> extends HashMap.Node<K,V> {
	Entry<K,V> before, after;
	
	Entry(int hash, K key, V value, Node<K,V> next) {
		super(hash, key, value, next);
	}
}

LinkedHashMap重写了HashMap中的newNode()方法：

Node<K,V> newNode(int hash, K key, V value, Node<K,V> e) {
    LinkedHashMap.Entry<K,V> p =
        new LinkedHashMap.Entry<K,V>(hash, key, value, e);
    linkNodeLast(p);
    return p;
}

TreeNode<K,V> newTreeNode(int hash, K key, V value, Node<K,V> next) {
    TreeNode<K,V> p = new TreeNode<K,V>(hash, key, value, next);
    linkNodeLast(p);
    return p;
}

8.4.2 图示

9. Set接口分析

9.1 Set集合与Map集合的关系

Set的内部实现其实是一个Map，Set中的元素，存储在HashMap的key中。即HashSet的内部实现是一个HashMap，TreeSet的内部实现是一个TreeMap，LinkedHashSet的内部实现是一个LinkedHashMap。

10. 【拓展】HashMap的相关问题

1、说说你理解的哈希算法

hash算法是一种可以从任何数据中提取出其“指纹”的数据摘要算法，它将任意大小的数据映射到一个固定大小的序列上，这个序列被称为hash code、数据摘要或者指纹。比较出名的hash算法有MD5、SHA。hash是具有唯一性且不可逆的，唯一性是指相同的“对象”产生的hash code永远是一样的。

2、Entry中的hash属性为什么不直接使用key的hashCode()返回值呢？

不管是JDK1.7还是JDK1.8中，都不是直接用key的hashCode值直接与table.length-1计算求下标的，而是先对key的hashCode值进行了一个运算，JDK1.7和JDK1.8关于hash()的实现代码不一样，但是不管怎么样都是为了提高hash code值与 (table.length-1)的按位与完的结果，尽量的均匀分布。

JDK1.7：

    final int hash(Object k) {
        int h = hashSeed;
        if (0 != h && k instanceof String) {
            return sun.misc.Hashing.stringHash32((String) k);
        }

        h ^= k.hashCode();
        h ^= (h >>> 20) ^ (h >>> 12);
        return h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4);
    }

JDK1.8：

	static final int hash(Object key) {
        int h;
        return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
    }

虽然算法不同，但是思路都是将hashCode值的高位二进制与低位二进制值进行了异或，然高位二进制参与到index的计算中。

为什么要hashCode值的二进制的高位参与到index计算呢？

因为一个HashMap的table数组一般不会特别大，至少在不断扩容之前，那么table.length-1的大部分高位都是0，直接用hashCode和table.length-1进行&运算的话，就会导致总是只有最低的几位是有效的，那么就算你的hashCode()实现的再好也难以避免发生碰撞，这时让高位参与进来的意义就体现出来了。它对hashcode的低位添加了随机性并且混合了高位的部分特征，显著减少了碰撞冲突的发生。

3、HashMap是如何决定某个key-value存在哪个桶的呢？

因为hash值是一个整数，而数组的长度也是一个整数，有两种思路：

①hash 值 % table.length会得到一个[0,table.length-1]范围的值，正好是下标范围，但是用%运算效率没有位运算符&高。

②hash 值 & (table.length-1)，任何数 & (table.length-1)的结果也一定在[0, table.length-1]范围。
JDK1.7：

static int indexFor(int h, int length) {
    // assert Integer.bitCount(length) == 1 : "length must be a non-zero power of 2";
    return h & (length-1); //此处h就是hash
}

JDK1.8：

final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent, boolean evict) {
    Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
    if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
        n = (tab = resize()).length;
    if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)  // i = (n - 1) & hash
        tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
    //....省略大量代码
}

4、为什么要保持table数组一直是2的n次幂呢？

因为如果数组的长度为2的n次幂，那么table.length-1的二进制就是一个高位全是0，低位全是1的数字，这样才能保证每一个下标位置都有机会被用到。

举例1：

hashCode值是   ？
table.length是10
table.length-1是9

？   ????????
9	 00001001
&_____________
	 00000000	[0]
	 00000001	[1]
	 00001000	[8]
	 00001001	[9]
	 一定[0]~[9]

5、解决[index]冲突问题

虽然从设计hashCode()到上面HashMap的hash()函数，都尽量减少冲突，但是仍然存在两个不同的对象返回的hashCode值相同，或者hashCode值就算不同，通过hash()函数计算后，得到的index也会存在大量的相同，因此key分布完全均匀的情况是不存在的。那么发生碰撞冲突时怎么办？

JDK1.8之间使用：数组+链表的结构。

JDK1.8之后使用：数组+链表/红黑树的结构。

即hash相同或hash&(table.lengt-1)的值相同，那么就存入同一个“桶”table[index]中，使用链表或红黑树连接起来。

6、为什么JDK1.8会出现红黑树和链表共存呢？

因为当冲突比较严重时，table[index]下面的链表就会很长，那么会导致查找效率大大降低，而如果此时选用二叉树可以大大提高查询效率。

但是二叉树的结构又过于复杂，占用内存也较多，如果结点个数比较少的时候，那么选择链表反而更简单。所以会出现红黑树和链表共存。

7、加载因子的值大小有什么关系？

如果太大，threshold就会很大，那么如果冲突比较严重的话，就会导致table[index]下面的结点个数很多，影响效率。

如果太小，threshold就会很小，那么数组扩容的频率就会提高，数组的使用率也会降低，那么会造成空间的浪费。

8、什么时候树化？什么时候反树化？

static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8;//树化阈值
static final int UNTREEIFY_THRESHOLD = 6;//反树化阈值
static final int MIN_TREEIFY_CAPACITY = 64;//最小树化容量

• 当某table[index]下的链表的结点个数达到8，并且table.length>=64，那么如果新Entry对象还添加到该table[index]中，那么就会将table[index]的链表进行树化。

• 当某table[index]下的红黑树结点个数少于6个，此时，

  • 当继续删除table[index]下的树结点，最后这个根结点的左右结点有null，或根结点的左结点的左结点为null，会反树化
  • 当重新添加新的映射关系到map中，导致了map重新扩容了，这个时候如果table[index]下面还是小于等于6的个数，那么会反树化

package com.atguigu.map;

public class MyKey{
    int num;

    public MyKey(int num) {
        super();
        this.num = num;
    }

    @Override
    public int hashCode() {
        if(num<=20){
            return 1;
        }else{
            final int prime = 31;
            int result = 1;
            result = prime * result + num;
            return result;
        }
    }

    @Override
    public boolean equals(Object obj) {
        if (this == obj)
            return true;
        if (obj == null)
            return false;
        if (getClass() != obj.getClass())
            return false;
        MyKey other = (MyKey) obj;
        if (num != other.num)
            return false;
        return true;
    }

}

package com.atguigu.map;

import org.junit.Test;

import java.util.HashMap;

public class TestHashMapMyKey {
    @Test
    public void test1(){
        //这里为了演示的效果，我们造一个特殊的类，这个类的hashCode（）方法返回固定值1
        //因为这样就可以造成冲突问题，使得它们都存到table[1]中
        HashMap<MyKey, String> map = new HashMap<>();
        for (int i = 1; i <= 11; i++) {
            map.put(new MyKey(i), "value"+i);//树化演示
        }
    }
    @Test
    public void test2(){
        HashMap<MyKey, String> map = new HashMap<>();
        for (int i = 1; i <= 11; i++) {
            map.put(new MyKey(i), "value"+i);
        }
        for (int i = 1; i <=11; i++) {
            map.remove(new MyKey(i));//反树化演示
        }
    }
    @Test
    public void test3(){
        HashMap<MyKey, String> map = new HashMap<>();
        for (int i = 1; i <= 11; i++) {
            map.put(new MyKey(i), "value"+i);
        }

        for (int i = 1; i <=5; i++) {
            map.remove(new MyKey(i));
        }//table[1]下剩余6个结点

        for (int i = 21; i <= 100; i++) {
            map.put(new MyKey(i), "value"+i);//添加到扩容时，反树化
        }
    }
}

9、key-value中的key是否可以修改？

key-value存储到HashMap中会存储key的hash值，这样就不用在每次查找时重新计算每一个Entry或Node（TreeNode）的hash值了，因此如果已经put到Map中的key-value，再修改key的属性，而这个属性又参与hashcode值的计算，那么会导致匹配不上。
这个规则也同样适用于LinkedHashMap、HashSet、LinkedHashSet、Hashtable等所有散列存储结构的集合。

10、JDK1.7中HashMap的循环链表是怎么回事？如何解决？

避免HashMap发生死循环的常用解决方案：

• 多线程环境下，使用线程安全的ConcurrentHashMap替代HashMap，推荐
• 多线程环境下，使用synchronized或Lock加锁，但会影响性能，不推荐
• 多线程环境下，使用线程安全的Hashtable替代，性能低，不推荐

HashMap死循环只会发生在JDK1.7版本中，主要原因：头插法+链表+多线程并发+扩容。

在JDK1.8中，HashMap改用尾插法，解决了链表死循环的问题。文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-802261.html

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