Java八股文——集合

1. HashMap

　　基本信息：

• 数据结构：数据+链表，数组+链表+红黑树
  • jdk1.8中，当链表大小超过8时，就会转换为红黑树，当小于6时变回链表，主要是根据泊松分布，在负载因子默认为0.75的时候，单个hash槽内元素个数为8的概率小于百万分之一，所以将7作为一个分水岭，等于7的时候不转换，大于等于8的时候转换，小于等于6转为链表
• 默认大小：16
• 负载因子：0.75（原因：0.75的负载因子，能让随机hash更加满足0.5的泊松分布

　　默认容量为什么是16？

• 当我们想要往一个hashmap中put元素的时候，需要通过hash方法计算出放到哪个桶中，hash方法是根据key来定位这个K-V在链表数组中的位置的，hash的公式：HashCode(key) & (length-1)，其实就是取模.
  用位运算来代替取模，主要就是因为位运算的效率较高。例如：X % 2^n = X & (2^n -1)，假设n为3，则2^3 = 8 ，表示为二进制就是1000，2^3 - 1 = 7，即0111，此时 X & (2^n -1)就相当于取X的二进制的最后三位数，从二进制角度来看，X / 8相当于 X >> 3 ，此时得到了X / 8 的商，而被移位的部分（后三位）就是 X % 8，也就是余数
  因此，如果保证map的长度是 2^n的话，就可以实现取模运算了
  那么为什么一定是16呢？
  关于这个默认容量的选择，官方没有给出相关解释，应该是一个经验值，需要在效率和内存使用上权衡，不能太小也不能太大
• 并且，Hashmap在两个可能改变容量的地方做了兼容处理，一个是扩容，一个是初始化。
• 当我们初始化Map且设置了容量时，HashMap不一定会采用传入的值，而是经过计算，得到一个新值，以提高hash效率，源码中的算法就是根据用户传入的容量值，得到第一个比他大的二次幂返回

　　扩容：

·　　扩容的阈值是负载因子 * 当前容量。

1. 创建一个新的Entry数组，长度是原数组的两倍
2. rehash：便利原Entry数组，将所有的Entry重新hash到新数组（重新hash是因为长度扩大之后，hash的值可能不同）

　　Hashmap是怎么放入数据的？（put方法）

• 首先判断key是否是null，是的话hash值就是0，获得hash值后进行扰动，1.7版本是5次异或4次位移，1.8是一次异或一次位移，然后根据计算出的新hash值找到对应的index，然后找到对应Node/Entity，遍历链表/红黑树，遇到hash值相同且equals相同的，则覆盖，不是则新增，如果节点数大于8就树化。put完成后，判断当前长度是否大于阈值，是就扩容
• 对于链表插入，1.7之前是头插法，从1.8开始变成尾插法，主要是为了解决rehash出现的死循环问题，并且1.7的时候是先扩容再插入，而1.8是先插入后扩容。正常来说，如果先插入，就可能节点需要树化，会多一次损耗，个人猜测，是由于读写问题，hashmap并不是线程安全的，如果先扩容后插入，那么扩容期间是访问不到新放入的值的，所以先插入，在扩容期间是可以访问到值的

　　为什么需要从头插法变成尾插法？

• 在多线程的时候，如果不同的线程同时插入一个map，当达到扩容阈值时，两个线程同时触发扩容，而头插法在循环中会导致某个节点发生循环指向，后续查找元素过程中就会发生死循环

　　HashMap线程不安全主要体现在：

1. 1.7多线程环境下，扩容会造成环形链表或数据丢失
2. 1.8多线程环境下，put方法会发生数据覆盖的情况

　　如何处理HashMap的线程不安全的情况？

1. 使用Collection.synchronizedMap()创建线程安全的map
   • 实现线程安全的原理：
     SynchronizedMap内部维护了一个普通对象map和排斥锁mutex，通过该方法创建出map之后，操作map就会以mutex对方法进行加锁，mutex默认是SynchronizedMap，可以通过构造参数传入
2. HashTable
   • 所有数据操作方法都加锁，效率低不考虑
   • 不允许键值为null，HashMap可以
   • 使用安全失败机制（fail-safe）而HashMap使用快速失败机制（fail-fast），在安全失败机制下，如果使用null，会使得无法判断对应的key是不存在还是为空
3. ConcurrentHashMap
   • 结构与HashMap相同，但是采用了CAS + synchronized来保证安全性
   • 最大容量：1 << 30
   • PUT操作：
     1. 根据key计算出hashcode
     2. 判断是否需要初始化
     3. 根据当前key定位的node，如果为空则可以写入，利用CAS尝试写入，失败则自旋保证成功
     4. 如果当前位置的hashcode == MOVED == -1，则需要扩容
     5. 如果都不满足，则利用synchronized写入数据
     6. 如果大于TREEIFY_THRESHOLD则需要转换为红黑树
   • GET操作
     • 直接根据计算出来的hashcode寻址，如果在桶上直接返回，如果是红黑树则按照树的方式获取，如果不满足则用链表方式遍历获取
   • 扩容
     • 1.7版本是基于segment，segment内部维护了HashEntity数组，所以扩容方式是在这个基础上的，类似HashMap扩容
     • 1.8版本扩容较为复杂，利用了ForwardingNode，先根据机器内核数来分配每个线程能分到的busket数（最小是16），这样可以做到多线程协助迁移，提升速度，然后根据自己分配的busket数来进行节点迁移，如果为空就放置ForwardingNode，代表迁移完成，如果是非空节点（判断是不是ForwardingNode，是就结束了），加锁，链路循环进行迁移
   • 为什么在Java8放弃了segment？
     • 由于在创建一个ConcurrentHashMap的时候，segment的数量就已经固定了，当需要进行扩容的时候，变化的是segment的大小，segment继承了ReentrantLock，如果segment变得很大了，那么锁的粒度就会变得很大，分段锁就没有意义了，每一个段就相当于一个同步的Map
     • 在java8中替换成了Node数组链表红黑树，并且因为ReentrantLock需要节点继承AQS来获得同步支持，会增大内存开销，因此java8不使用ReentrantLock，改为synchronized，synchronized是jvm直接支持的，能够在运行的时候进行相应的优化措施，比如锁粗化，自旋等

2.List

1. ArrayList

   • 底层使用数组实现，查找与访问较快，新增和删除较慢
   • 实现了RandomAccess接口，可以随机访问
   • 默认初始容量 10
   • 以1.5倍扩容
   • 调用构造函数时只会初始化数组大小，而size这个变量不会初始化，此时如果调用set方法指定下标设置数据会抛出数组越界异常，因为set方法中是根据size来判断是否可以设置当前下标的数据
   • 构造方法中，如果设置初始化大小为0，则数组扩容时，大小由0变为1
   • 无参构造方法中，数组默认大小也是0，但扩容时，大小由0变为10

2. LinkedList

   • 底层使用链表实现，新增与删除较快，查找较慢
   • 内部维护了链表长度，以及头尾节点，获取长度不需要遍历
   • 实现了队列接口，具有队列的先进先出的功能