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cxuan

发布于 2019-11-12 22:05:36

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发布于 2019-11-12 22:05:36

文章被收录于专栏：Java建设者Java建设者

本篇文章的形式结构：

以一个总图开头，了解 Java 集合框架都包括哪些主要部件；
分别对各个部件进行大致的描述，描述其主要特征；
以总结的形式结尾，并给出各个部件的优劣性对比表格；
部分关于集合框架的面试题。

集合在我们的日常开发中所使用的次数简直太多了，你已经把它们都用的熟透了，但是作为一名合格的程序员，你不仅要了解它的基本用法，你还要了解它的源码；存在即合理，你还要了解它是如何设计和实现的，你还要了解它的衍生过程。

这篇博客就来详细介绍一下 Collection 这个庞大集合框架的家族体系和成员，让你了解它的设计与实现。

是时候祭出这张神图了首先来介绍的就是列表爷爷辈儿的接口- Iterator

01、Iterable 接口

JavaDoc 解释：实现此接口允许对象成为 for-each 循环的目标

也就是说，实现了此接口，就能使用 for-each 进行循环遍历，for-each 是增强型的 for 循环，是 java 提供的一种语法糖，它的基本遍历方式如下：

List<Object> list = new ArrayList();
for (Object obj: list){}

除了实现此接口的对象外，数组也可以用 for-each 循环遍历，如下：

Object[] list = new Object[10];
for (Object obj: list){}

那么，为什么实现了此接口的对象可以进行 for-each 遍历呢？上述的循环遍历经过反编译后如下：

// 数组
Object[] list = new Object[10];
Object[] var14 = list;
int var15 = list.length;

for (int var16 = 0; var16 < var15; ++var16) {
   Object var10000 = var14[var16];
}

// 对象
List<Object> list = new ArrayList();

Object var15;
for (Iterator var14 = list.iterator(); var14.hasNext(); var15 = var14.next()) {
    ;
}

也就是说，for-each 循环经过反编译后，会自动创建 iterator 来实现对数组和对象的循环遍历。

其他遍历方式

jdk1.8 之前Iterator只有 iterator 一个方法，就是

Iterator<T> iterator();

实现次接口的方法能够创建一个轻量级的迭代器，用于安全的遍历元素，移除元素，添加元素。

为什么说是安全的遍历元素，移除元素，添加元素？请参考for 、foreach 、iterator 三种遍历方式的比较[1]

也可以使用迭代器的方式进行遍历

for(Iterator it = coll.iterator(); it.hasNext(); ){
    System.out.println(it.next());
}

本篇先不探讨相关 jdk1.8 的新特性

02、Collection 接口

Collection 位于继承体系的顶级接口，它的上面只有 Iterable 接口，但是 Iterable 和集合的继承体系并无直接关系，我们一说集合框架的顶级接口其实就是指的是 Collection 接口，一说映射的顶级接口就指的是 Map 接口，而 Iterable 接口更多扮演辅助的作用。

Collection 接口更多的是制定标准的作用。它主要指定的标准有

Collection 中的一些集合允许重复元素，而其他的则不允许。一些集合有序而一些集合无序。JDK 没有直接提供这个接口的实现，它提供了更多实现特性的接口，比如 List、Set，不包括 Map，因为 Map 不是 Collection 的实现。
无序集合(包含重复元素)应直接实现这个接口
一般 Collection 的实现类应该提供两个标准的构造器，一个无参构造器，用于创建一个空集合；和一个持有单个 Collection 类型参数的构造器。例如

// ArrayList.java
public ArrayList() {...}
public ArrayList(Collection<? extends E> c) {...}

// LinkedList.java
public LinkedList() {}
public LinkedList(Collection<? extends E> c) {...}

// LinkedHashSet.java
public LinkedHashSet() {...}
public LinkedHashSet(Collection<? extends E> c) {...}

// HashSet.java
public HashSet() {...}
public HashSet(Collection<? extends E> c) {...}

// TreeSet.java
public TreeSet() {...}
public TreeSet(Collection<? extends E> c) {...}

个人理解添加 Collection 类型的构造函数其实就是为了集合的复制和集合的相互转化。

Collection 接口包含一些改变集合结构的"破坏性"方法，如果实现的集合不支持此种方法，请抛出UnsupportedOperationException 异常。
一些 collection 的实现对元素有一些限制。例如，一些实现类禁止空元素，一些则在元素类型上有一些限制。试图添加不合格的元素会引发未经检查的异常。特别是空指针异常和类型转换异常。尝试查询不合格元素的存在可能会抛出异常，或者可能返回 false。一些实现将展现前者的行为，一些实现将展现后者的行为。更进一步来说，尝试将一个不符合条件的元素进行操作，不会使操作完成，将不合格的元素插入集合中可能会导致错误，有一些例外可能会取得成功，这取决于实现类。
对于线程安全性来讲，Collection 没有提供线程安全的方法，这完全交由子类自己去实现。
对集合执行递归遍历的某些集合操作可能会失败，并且集合直接间接包含自身的自引用实例会出现异常。这包括 clone(), equals(), hashCode() 和 toString() 实现可以可选地处理自引用场景，但是大多数当前实现不这样做。

List 接口

List 也被称为列表或者有序序列，它继承了 Collection 接口，提供了很多与 Collection 相同的方法，同时也是 ArrayList、LinkedList 等的父类。List 定义了一些列表的标准，它的具体特性如下：

使用该接口可以有序的控制每个元素的插入次序，使用者也可以通过索引访问元素，并寻找 list 中的元素。
与 set 不同，list 允许重复元素。list 列表中的元素保证插入的次序是因为其存储在 list 中的元素都满足 e1.equals(e2)，并且允许多个空元素。
List 除了使用 Iterator 作为迭代器之外，还提供了一种特殊的迭代器 ListIterator，是 List 接口所独有的。ListIterator 除了允许正常的操作外，增加了元素的插入和替换，还允许双向访问，提供了一种方法来获得从列表中的指定位置开始的序列迭代器

ListIterator<E> listIterator();
// 从指定位置处开始
ListIterator<E> listIterator(int index);

List 接口提供了两种方法寻找指定的对象，从性能的角度来看，应谨慎使用这些方法。它们将执行昂贵的线性搜索

int indexOf(Object o);
int lastIndexOf(Object o);

虽然列表允许将自己包含为元素，但建议及其谨慎使用，equals 和 hashCode 方法不再这样的列表中很好的定义。
某些列表的实现对它们可能包含的元素有些限制，例如，一些实现允许空元素，一些实现对他们的元素有严格的类型限制。试图添加不合规定的元素会抛出未经检查的异常，比如 NullPointerException 和 ClassCastException。

Set 接口

Set 接口位于与 List 接口同级的层次上，它同时也继承了 Collection 接口。

Set 属于集合框架的一个子类，它不允许重复元素。也就是说，它包含在内的每两个元素的比较都不能满足 e1.equals(e2)，所以最多只允许一个空元素。
Set 接口提供了额外的规定，超出了从 Collection 接口继承的那些。它对 add,equals,hashCode 方法提供了额外的标准。其他从 Collection 继承下来的方法在这仍然用起来很方便。
对于构造函数的约定，也就能理解，所有的构造函数必须构建一个不包含重复元素的集合。
注意：如果将可变元素用于 set 对象的集合，则必须非常小心。
一些 set 的实现对元素有严格的控制。例如，一些实现禁止空元素，一些实现对元素类型有严格对限制。尝试添加一些不合法的元素会抛出未经检查的异常。特别是 NullPointerException 或者 ClassCastException 。尝试查询不合法的元素也会抛出异常，或者可能仅仅返回 false。一些将展示前者的行为一些将展示后者的行为。大致上来说，尝试对不合格的元素进行操作，其完成的操作不会导致将不合格的元素插入到集合中。在实现中可以选择是当插入不合法元素时抛出异常还是仅仅只返回 false。

Queue 接口

Queue(队列) 是和 List、Set 接口并列的 Collection 的三大接口之一。Queue 的设计用来在处理之前保持元素的访问次序。除了 Collection 基础的操作之外，队列提供了额外的插入，读取，检查操作。这些当中每一个方法都会有两种形式：如果失败就抛出异常，其他方式返回特殊的值(null 或者 false)，后者组成的插入操作被设计成用来严格控制队列容量的实现；在大部分的实现中，插入操作不能直接失败。

Queue 接口提供了几种功能相似但细节不同的方法： add & offer() , remove() & poll(), element() & peek() 前者失败都会抛出异常，后者会返回特殊的值。

队列通常（但不一定）以 FIFO（先进先出）方式对元素进行排序。PriorityQueues 就是一个特例。它的元素的顺序是遵从提供的比较器，或者元素的自然排序，以及对元素进行排序的 LIFO 队列（或堆栈）（后进先出）不论使用顺序如何，调用 remove() 或者 poll() 都会移除队列的头元素。在 FIFO 队列中，所有新添加的元素都会插入到队列的末尾。
Offer 方法会在允许的情况下插入一个元素，否则返回 false。这与 Collection.add() 方法不同，后者只能通过抛出未经检查的异常来添加元素。offer 方法被设计成，添加失败是一个正常的情况，而不是通过异常的形式出现。
Remove() 和 poll() 方法移除并返回队列的头元素。remove() 和 poll() 方法不同的地方在于：remove() 方法在队列为 null 时抛出异常而 poll() 方法则返回 null。
Element() 方法和 peek() 方法返回，但不移除队列的头元素。
Queue 的实现不允许插入 null 元素，即使一些实现像是 LinkedList，没有限制插入空元素。即使实现允许，null 元素也不应该插入到队列中，因为 null 也被 poll 方法用作特殊的返回值。以指示队列包含输任何的返回值。

SortedSet 接口

SortedSet 接口直接继承于 Set 接口，提供了一个进一步对元素进行排序的 set。使用 Comparable 对元素进行自然排序或者使用 Comparator 在创建时对元素提供定制的排序规则。set 的迭代器将按升序元素顺序遍历集合。

所有插入到 SortedSet 中的元素都必须实现 Comparable 接口(或者接口定制的构造器)。进一步来说，所有内部的元素都必须相互比较：e1.compareTo(e2) 或者 comparator.compare(e1, e2) 并且不会抛出 ClassCastException。违反此限制将导致方法抛出 ClassCastException。
请注意：如果排序集要正确实现 Set 接口，则排序集维护的排序必须与 equals 一致。(查阅 Comparable 接口或者 Comparator 接口)。这是因为 Set 接口是根据 equals 操作定义的。但是有序集合使用 compareTo 执行所有元素的比较。因此从排序集的角度看，这种方法认为相等的两个元素是相等的。即使排序与 equals 不一致，排序集的行为也是正常运行的。它只是不遵守一般的 Set 接口定义。
所有 SortedSet 实现类都应该提供四个标准的构造器：
- 一个 void（无参数）构造函数，它根据元素的自然顺序创建一个空的有序集。
- 一个创建了单个 Comparator 类型参数的构造函数，它创建一个根据指定比较器排序的空排序集
- 一个创建了单个 Comparator 类型参数的构造函数，它创建一个新的有序集合，其元素与其参数相同，并根据元素的自然顺序进行排序
- 一个创建了单个 SortedSet 类型参数的构造器，它创建了一个新的有序集，其元素和输入有序集的顺序相同。由于接口不能包含构造函数，因此无法强制执行。

AbstractCollection 抽象类

AbstractCollection 这个接口是 Collection 接口的一个核心实现，采用抽象方法提供部分代码的实现，用来简化实现此接口所需要的工作量，此接口提供了一些对于实现类的说明，并提供了一系列标准。

为了实现不可修改的 collection，程序员应该继承这个类并提供 iterator 和 size 方法(迭代器需要实现 hasNext() 和 next() 方法)
为了实现可修改的 collection，程序员需要额外重写类的 add 方法，iterator 方法返回的 Iterator 迭代器也必须实现 remove 方法

AbstractList 抽象类

AbstractList 接口位于中间层，向下是具体的实现类，向上是定义的抽象标准，AbstractList 继承了AbstractCollection 并实现了**List **接口，具体继承体系见下图AbstractCollection 继承体系

此接口也是 List 继承类层次的核心接口，以求最大限度的减少实现此接口的工作量，由顺序访问数据存储(数组)支持。对于序列访问的数据(像是链表)，应该优先使用 AbstractSequentialList。

为了实现不可修改的 list，程序员仅需要扩展这个类，并提供 get 和 list.size() 的实现就可以了。
如果要实现可修改的 list，程序员必须额外重写 set(int,Object) set(int,E) 方法(否则会抛出 UnsupportedOperationException 的异常)，如果 list 是可变大小的，程序员必须额外重写 add(int,Object) , add(int, E) and remove(int) 方法

ArrayList 类

ArrayList 是实现了 List 接口的可扩容数组(动态数组)，它的内部是基于数组实现的。它的具体定义如下：

public class ArrayList<E> extends AbstractList<E> implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable {...}

ArrayList 可以实现所有可选择的列表操作，允许所有的元素，包括空值。ArrayList 还提供了内部存储 list 的方法，它能够完全替代 Vector，只有一点除外，ArrayList 不是线程安全的容器。
每一个 ArrayList 实例都有一个容量的概念，这个数组的容量就是 list 用来存储元素的容量。它内部的 capacity 属性能够快速增长，依照元素添加进 ArrayList 后，它总是能够自动增长。
注意这个实现类不是线程安全的，如果多个线程中至少有两个线程修改了 ArrayList 的结构的话那么最终 ArrayList 中元素的个数和值可能就会发生变化。
如果不存在此对象，则应使用 Collections.synchronizedList "包装"该对象，最好在创建时期就这么做,防止意外的不同步列表访问。
List list = Collections.synchronizedList(new ArrayList(...))
Iterator 和 listIterator 都会返回 iterators，并且都是支持 fail-fast 机制的。如果创建后再进行结构化修改的话，除了通过迭代器自己以外的任何方式，都会抛出 ConcurrentModificationException。因此，面对并发修改的情况，iterator 能够快速触发 fail-fast 机制，而不是冒着潜在的风险。更多关于 ArrayList 的用法，请参考ArrayList 相关方法介绍及源码分析[2]

Vector 类

Vector 类实现了可增长的对象数组。像数组一样，它包含可以使用整数索引访问元素。但是，Vector 的大小可以根据需要增大或减小，以便在创建 Vector 后添加和删除。

每一个 vector 都试图去维护 capacity 和 capacityIncrement 来优化内部存储。capacity 总是要保持和 vector 一样的大小。随着新元素的增加，它的容量也在一直变大。vector 的存储以 capacityIncrement 的大小增加。应用程序可以在插入大量元素之前增加 vector 的容量，这就会减少重新分配的次数，降低重新分配带来的影响。
这个类 iterator() 方法和 listIterator() 方法返回的 iterators 是有快速失败机制的：如果 vector 在创建了 iterator 之后经过了结构化的修改，除了调用迭代器内部的 remove 或者 add 方法之外的其他方法，都会抛出 ConcurrentModificationException
elements 方法返回的 Enumeration 则没有 fail-fast 机制。

Stack 堆栈类

Stack 类代表了后进先出 (LIFO) 对象的堆栈。它继承了 Vector 类，并且有五个操作允许 vector 像 stack 一样看待。提供了通常用的 push 和 pop 操作，以及在栈顶的 peek 方法，测试 stack 是否为空的 empty 方法，和一个寻找与栈顶距离的 search 方法。

第一次创建栈，不包含任何元素。一个更完善，可靠性更强的 LIFO 栈操作由 Deque 接口和他的实现提供，应该优先使用这个类

Deque<Integer> stack = new ArrayDeque<Integer>()

AbstractSet 抽象类

继承体系和 AbstractList 基本相同，除了 AbstractList 实现了 List 接口，而 AbstractSet 实现了 Set 接口。

AbstractSet 是 Set 接口的骨干实现，以求最大限度的减少实现此接口的工作量。
通过扩展此类来实现集合的过程与通过扩展 AbstractCollection 实现集合的过程相同。除了这个类的子类中的所有方法和构造函数必须遵守 Set 接口强加的附加约束（例如，add 方法不允许将对象的多个实例添加到集合中）
注意这个类没有重写任何 AbstractCollection 的实现，它仅仅增加了 equals 和 hashCode 实现。

HashSet 类

HashSet 类是 Set 接口的实现类，由哈希表支持(实际上 HashSet 是 HashMap 的一个实例)。它不能保证集合的迭代顺序；特别是，它不保证顺序会随着时间的推移保持不变(也就是无序的)。这个类允许 null 元素。

这个类为基本操作 (add,remove,contains,size) 提供恒定的时间和性能，假设 hash 功能在桶之间正确的分散元素迭代此 set 需要的时间与 HashSet 实例大小(元素的数量)加上 HashMap 实例的 capacity (桶的数量)是成正比。因此，如果迭代性能很重要的话，那么不要设置初始 capacity 太高(或者负载因子太低)是很重要的。
注意这个实现不是线程安全的。如果多线程并发访问 HashSet ，并且至少一个线程修改了 set ，必须进行外部加锁。这通常通过在自然封装集合的某个对象上进行同步来实现
如果没有这个对象存在，这个 set 应该使用 Collections.synchronizedSet 方法重写。最好在创建时这么做，以防止对集合的意外不同步访问
这个实现持有 fail-fast 机制。

TreeSet 类

TreeSet 类是一个基于 TreeMap 的 NavigableSet 实现。这些元素使用他们的自然排序或者在创建时提供的 Comparator 进行排序，具体取决于使用的构造函数。

此实现为基本操作 add,remove 和 contains 提供了 log(n) 的时间成本。
注意这个实现不是线程安全的。如果多线程并发访问 TreeSet ，并且至少一个线程修改了 set ，必须进行外部加锁。这通常通过在自然封装集合的某个对象上进行同步来实现
如果没有这个对象存在，这个 set 应该使用 SortedSet s = Collections.synchronizedSortedSet(new TreeSet(...)) 方法重写。最好在创建时这么做，以防止对集合的意外不同步访问
这个实现持有 fail-fast 机制。

LinkedHashSet 类

LinkedHashSet 类继承于 Set，先来看一下 LinkedHashSet 的继承体系：

LinkedHashSet 是 Set 接口的 Hash 表和 LinkedList 的实现，具有可预测的迭代次序。这个实现不同于 HashSet 的是它维护着一个贯穿所有条目的双向链表。此链表定义了元素插入集合的顺序。注意：如果元素重新插入，则插入顺序不会受到影响。

此实现免受 HashSet 混乱的排序。但不会导致像 TreeSet 相关的开销增加。无论原始集的实现如何，它都可用于生成与原始集合具有相同顺序的集合的副本：

void foo(Set s) {
 	Set copy = new LinkedHashSet(s);
}

这个 class 提供所有可选择的 set 操作，并且允许 null 元素。像 HashSet，它为基础操作(add,contains,remove) 提供了固定的基础操作。
LinkedHashSet 有两个影响其构成的参数：初始容量和加载因子。它们的定义与 HashSet 完全相同。但请注意：对于此类，选择过高的初始容量值的开销要比 HashSet 小，因为此类的迭代次数不受容量影响。
注意这个实现也不是线程安全的，如果多线程同时访问 LinkedHashSet ，并且其中一个线程修改了 set ，必须进行外部加锁。这通常通过在自然封装集合的某个对象上进行同步来实现
如果没有这样的对象存在，这个 set 应该使用 Collections.synchronizedSet 方法最好在创建时就这样做，防止意外地不同步访问该集
该类也支持 fail-fast 机制

AbstractQueue 抽象类

这个类是 Queue 接口的骨干实现，当实现不允许为 null 元素时，使用此类中的实现是比较合适的。add, remove, element 是基于 offer, poll 和 peek 方法的。扩展此类 Queue 实现必须最低开销的定义一个方法 Queue.offer，该方法不允许插入 null 元素，以及方法 peek，poll，size，iterator。通常，还会覆盖其他方法。如果无法满足这些要求，请考虑用继承替代。

PriorityQueue 类

PriorityQueue 是 AbstractQueue 的实现类，优先级队列的元素根据自然排序或者通过在构造函数时期提供 Comparator 来排序，具体根据构造器判断。一个优先级队列不允许 null 元素依赖于自然排序的优先级队列也不允许插入不可比较的对象（这样做可能导致 ClassCastException ）。

队列的头在某种意义上是指定顺序的最后一个元素。队列检索操作 poll, remove, peek 和 element 访问队列头部元素。
优先级队列是无限制的，但具有内部 capacity，用于控制用于在队列中存储元素的数组大小。它总是至少像 queue 的容量一样大。作为新添加进来的元素，它的容量会自动增长。
该类以及迭代器实现了 Collection、Iterator 接口的所有可选方法。这个迭代器提供了 iterator() 方法不能保证以任何特定顺序遍历优先级队列的元素。如果你需要有序遍历，考虑使用 Arrays.sort(pq.toArray())。
注意这个实现不是线程安全的，多线程不应该并发访问 PriorityQueue 实例如果有某个线程修改了队列的话，使用线程安全的类 PriorityBlockingQueue。

AbstractSequentialList 抽象类

AbstractSequentialList 是 List 一系列子类接口的核心接口，以求最大限度的减少实现此接口的工作量，由顺序访问数据存储(例如链接链表)支持。对于随机访问的数据(像是数组)，应该优先使用 AbstractList。

在这个概念上，这个接口可以说是与 AbstractList 类相反的，它实现了随机访问方法，提供了 get(int index), set(int index,E element), add(int index,E element) 和 remove(int index) 方法在列表的迭代器上
要实现一个列表，程序员只需要扩展这个类并且提供 listIterator 和 size 方法即可。对于不可修改的列表来说，程序员需要实现列表迭代器的 hasNext(), next(), hasPrevious(), previous() 和 index() 方法
对于允许修改的 list，程序员应该额外实现 list 迭代器的 set 方法，对于可变大小的列表，程序员应该额外实现迭代器的 r emove 方法和 add 方法

LinkedList 类

LinkedList 是一个双向链表，实现了所有 List 列表的可选择性操作，允许存储任何元素(包括 null 值)。它的主要特性如下：

LinkedList 所有的操作都可以表现为双向性的，索引到链表的操作将遍历从头到尾，视哪个距离近为遍历顺序。
注意这个实现也不是线程安全的，如果多个线程并发访问链表，并且至少其中的一个线程修改了链表的结构，那么这个链表必须进行外部加锁。(结构化的操作指的是任何添加或者删除至少一个元素的操作，仅仅对已有元素的值进行修改不是结构化的操作)。
如果没有这样的链表存在，这个链表应该用 Collections.synchronizedList 方法进行包装，最好在创建时间就这样做，避免意外的非同步对链表的访问
List list = Collections.synchronizedList(new LinkedList(...))
Iterator 和 listIterator 都会返回 iterators，并且都是支持 fail-fast 机制的。如果创建后再进行结构化修改的话，除了通过迭代器自己以外的任何方式，都会抛出 ConcurrentModificationException 。因此，面对并发修改的情况，iterator 能够快速触发 fail-fast 机制，而不是冒着潜在的风险。更多关于 LinkedList 的用法，请参考 LinkedList 基本示例及源码解析[3]

03、Map 接口

Map 是一个支持 key-value 存储的对象，Map 不能包含重复的 key，每个键最多映射一个值。这个接口代替了 Dictionary 类，Dictionary 是一个抽象类而不是接口。

Map 接口提供了三个集合的片段，它允许将 map 的内容视为一组键，值的集合和一组 key-value 映射。map 的顺序定义为 map 映射集合上的迭代器返回其元素的顺序。一些 map 实现，像是 TreeMap 类，保证了 map 的次数；其他的实现，像是 HashMap，则没有保证。
一般用途的 map 实现类应该提供两个标准的构造器：一个空 map 创建一个 void (无参数)构造器。和一个只有单个 Map 类型参数的构造器。后者的构造器允许用户复制任意 map，生成所需类的有效映射。无法强制执行此建议(因为接口不能包含构造器)但 JDK 中的所有通用映射实现都符合要求。
一些 map 实现包含在内的对键和值有限制例如，一些实现禁止 null keys 和 values，一些实现对 keys 的类型有限制。尝试插入不合格的键或值会引发未经检查的异常，比如 NullPointerException 或者 ClassCastException 尝试查询不合格的 key 或 value 也可能抛出异常，或者可能返回 false；一些实现允许前者的行为，一些实现允许后者的行为

AbstractMap 抽象类

这个抽象类是 Map 接口的骨干实现，以求最大化的减少实现类的工作量。

为了实现不可修改的 map，程序员仅需要继承这个类并且提供 entrySet 方法的实现，它将会返回一组 map 映射的某一段。通常，返回的集合将在 AbstractSet 之上实现。这个 set 不应该支持 add 或者 remove 方法，并且它的迭代器也不支持 remove 方法。
为了实现可修改的 map，程序员必须额外重写这个类的 put 方法(否则就会抛出 UnsupportedOperationException)，并且 entrySet.iterator() 返回的 iterator 必须实现 remove() 方法。
程序员应该提供一个无返回值(无参数)的 map 构造器，

HashMap 类

哈希表基于 Map 接口的实现，这个实现提供可选择的 map，并且允许空 value 值和空 key，可以认为 HashMap 是 Hashtable 的增强版，可以认为 HashMap 不是可同步的(非线程安全)和允许空值外，可以认为 HashMap 顺序性，也就是说，它不能保证其内部的顺序一成不变

这个实现为基本操作 (get、set) 提供了固定开销的性能，假设哈希函数将元素均匀的分散在各个桶中，遍历结束这个 Collection 的视图需要恒定的时间，包括 HashMap 实例(桶的数量)加上( key-value 映射的数量)。因此，如果遍历元素是很重要的话，不要去把初始容量设置的太高(或者负载因子太低)。
一个 HashMap 实例有两个参数扮演着重要的角色，初始容量和负载因子，这个初始容量是 hash 表桶的数量，并且初始容量只是创建哈希表时的最初的容量，这个负载因子是一种衡量哈希表的填充程度，在其容量自动增加之前获取，当哈希表中存在足够数量的 entry，以至于超过了负载因子和当前容量，这个哈希表会进行重新哈希操作，内部的数据结构重新 rebuilt，这样的哈希表大约有两倍的桶数量
作为一般的规则，这个默认的负载因子 0.75 提供了一个好的平衡点在时间和空间利用上面，这个值越高，就越会降低空间开销，但是会增加查找成本(反应在大部分 HashMap 的操作上面包括 get 、 put )，预期数量 map 中的 entry 链和加载因子当设置初始容量的时候应该被考虑进去，以便降低最小数量的重新 hash 操作。如果初始容量要比(最大数量的 entry 链/负载因子)大则不用重新哈希，将一直能够操作。
注意这个实现类 (HashMap) 不是同步的(非线程安全的)，如果多个线程同时影响到了 hash map，并且至少一个线程修改了 map 的结构，那么必须借助外力的同步操作。( adds 或者 deletes 一个或多个映射是一个结构化的修改操作。仅仅改变 key 的 value 值不是一个结构化的修改)。如果不存在此类对象，这个 map 应该被 Collections.synchronizedMap 封装，最好是在创建的时候就封装好，去阻止偶然的对 map 的非同步访问
Map m = Collections.synchronizedMap(new HashMap());
支持 fail-fast 快速失败机制

TreeMap 类

一个基于 NavigableMap 实现的红黑树。这个 map 根据 key 自然排序存储，或者通过 Comparator 基于 NavigableMap 实现的红黑树。这个 map 根据 key 自然排序存储，或者通过 Comparator 进行定制排序

这个实现为 containsKey, get, put 和 remove 方法提供了 log(n) 的操作。
注意这个实现不是线程安全的。如果多线程并发访问 TreeMap，并且至少一个线程修改了 map，必须进行外部加锁。这通常通过在自然封装集合的某个对象上进行同步来实现
如果没有这个对象存在，这个 set 应该使用 SortedMap m = Collections.synchronizedSortedMap(new TreeMap(...)) 方法重写。最好在创建时这么做，以防止对集合的意外不同步访问
这个实现持有 fail-fast 机制。
此类中的方法返回所有的 Map.Entry 对及其试图表示生成时映射的快照。他们不支持 Entry.setValue 方法

LinkedHashMap 类

LinkedHashMap 是 map 接口的哈希表和链表的实现，具有可预测的迭代顺序。这个实现与 HashMap 不同之处在于它维护了一个贯穿其所有条目的双向链表。这个链表定义了遍历顺序，通常是插入 map 中的顺序。注意重新插入并不会影响其插入的顺序。如果在 containsKey(k) 时调用 m.put(k,v)，则将 key 插入到 map 中会在调用之前返回 true。

此实现使其客户端免受 HashMap, Hashtable 未指定的，混乱的排序。而不会导致像 TreeMap 一样的性能开销，无论原始 map 的实现如何，它都可用于生成与原始 map 具有相同顺序的 map 副本。 void foo(Map m) { Map copy = new LinkedHashMap(m); }
它提供一个特殊的 LinkedHashMap(int,float,boolean) 构造器来创建 LinkedHashMap，其遍历顺序是其最后一次访问的顺序。这种类型的 map 很适合构建 LRU 缓存图解集合 6：LinkedHashMap[4]
可以重写 removeEldestEntry(Map.Entry) 方法，以便在将新映射添加到 map 时强制删除过期映射的策略。
这个类提供了所有可选择的 map 操作，并且允许 null 元素。像 HashMap，它为基础操作(add,contains,remove)提供了恒定的时间消耗，假定散列函数在桶之间正确分配了元素。由于维护链表的额外开销，性能可能会低于 HashMap，有一条除外：遍历 LinkedHashMap 中的 collection-views 需要与 map.size 成正比，无论其容量如何。HashMap 的迭代看起来开销更大，因为还要求时间与其容量成正比。
LinkedHashMap 有两个因素影响了它的构成：初始容量和加载因子。他们也定义在 HashMap。注意，对于此类，选择过高的容量的初始值代价小于 HashMap，因为此类的迭代次数不受容量的影响。
注意这个实现不是线程安全的。如果多线程并发访问 LinkedHashMap，并且至少一个线程修改了 map，必须进行外部加锁。这通常通过在自然封装集合的某个对象上进行同步来实现如果没有这个对象存在，这个 set 应该使用 Map m = Collections.synchronizedMap(new LinkedHashMap(...)) 方法重写。最好在创建时这么做，以防止对集合的意外不同步访问
这个实现持有 fail-fast 机制。

Hashtable 类

Hashtable 类实现了一个哈希表，能够将键映射到值。任何非空对象都可以用作键或值。

为了从哈希表中成功存储和检索对象，这个对象的 key 必须实现 hashCode 方法和 equals 方法。
Hashtable 的实例有两个参数影响它的构成：初始容量和加载因子。容量就是哈希表中桶的数量，初始容量就是哈希表创建出来的容量。注意这个哈希表是开放的：为了避免哈希冲突，一个桶存储了多个 entries 必须按顺序搜索。负载因子是衡量哈希表在其容量自动增加之前可以变得多大。初始容量和负载系数参数仅仅是实现的提示。关于何时以及是否调用 rehash 方法的确切细节是依赖于实现的
大致上来说，默认的负载因子 0.75 提供了一个空间和时间开销的平衡。此值太高会减少空间开销但是会增加查找的时间成本，这会反应在 get、put 操作中。
初始容量控制了浪费空间与 rehash 操作需求之间的权衡，这是非常耗时的。如果初始容量 > entries 链条数目 / load factor，则 rehash 操作永远不会发生。然而，设置初始容量太高会浪费空间。
下面例子展示了一个基础用法

// 放置元素
Hashtable<String, Integer> numbers = new Hashtable<String, Integer>();
numbers.put("one", 1);
numbers.put("two", 2);
numbers.put("three", 3);

// 取出元素
Integer n = numbers.get("two");
if(n != null){
  System.out.println("two = " + n);
}

此实现类支持 fail-fast 机制
与新的集合实现不同，Hashtable 是线程安全的。如果不需要线程安全的容器，推荐使用 HashMap，如果需要多线程高并发，推荐使用 ConcurrentHashMap。

IdentityHashMap 类

IdentityHashMap 是比较小众的 Map 实现了，它使用哈希表实现 Map 接口，在比较键和值时使用引用相等性替换对象相等性。换句话说，在 IdentityHashMap 中两个 key，k1 和 k2 当且仅当 k1 == k2 时被认为是相等的。(在正常的 Map 实现中(类似 HashMap)，两个键 k1 和 k2 当且仅当 k1 == null ? k2 == null : k1.equals(k2)时被认为时相等的

这个类不是一个通用的 Map 实现！虽然这个类实现了 Map 接口，但它故意违反了 Map 的约定，该约定要求在比较对象时使用 equals 方法，此类仅适用于需要引用相等语义的极少数情况。
此类提供所有可选择的 map 操作，并且允许 null 值和 null key。这个类不保证 map 的顺序，特别的，它不保证顺序会随着时间的推移保持不变。
同 HashMap，IdentityHashMap 也是无序的，并且该类不是线程安全的，如果要使之线程安全，可以调用 Collections.synchronizedMap(new IdentityHashMap(...))方法来实现。
支持 fail-fast 机制

WeakHashMap 类

WeakHashMap 类基于哈希表的 Map 基础实现，带有弱键。WeakHashMap 中的 entry 当不再使用时还会自动移除。更准确的说，给定 key 的映射的存在将不会阻止 key 被垃圾收集器丢弃。

基于 map 接口，是一种弱键相连，WeakHashMap 里面的键会自动回收
支持 null 值和 null 键。和 HashMap 有些相似
fast-fail 机制
不允许重复
WeakHashMap 经常用作缓存关于 HashMap 的具体存储结构

相关更详细的 WeakHashMap 解析，见下面这篇文章 http://ifeve.com/weakhashmap/

SortedMap 抽象类

SortedMap 是一个提供了在 key 上全部排序的 map。这个 map 根据 key 的 Comparable 自然排序，提供了在创建时期的 map 排序。遍历有序映射的集合片段(由

entrySet、keySet 和 values 方法返回)时能够反应此顺序的影响。

所有插入到 sorted map 的 key 都必须实现 Comparable 接口(或者接受定制的 Comparator 接口)。进一步来讲，所有的 key 都必须相互比较形如 k1.compareTo(k2) 或者 comparator.compare(k1,k2) 对其中的任何 key 都不能抛出 ClassCastException。试图违反此限制将导致违规方法或构造函数抛出 ClassCastException
所有一般情况下的 sortedmap 实现类提供四个标准的构造器。
- 一个无返回值(无参数)的构造器，它根据 key 的自然排序创建类一个空 sorted map。
- 一个有单个 Comparator 类型参数的构造函数，它根据指定比较器创建了一个空的 sorted map 排序。
- 一个有单个 map 类型参数的构造函数，它创建了一个相同 key-value 映射参数的 map，根据 key 来自然排序。
- 一个有单个 SortedMap 类型的构造器，它创建了一个新的有序映射，其具有相同的键 - 值映射和与输入有序映射相同的顺序。

04、Comparable && Comparator

具体描述请详见Comparable 和 Comparator 的理解[5]

05、Collections 类

Collections 不属于 Java 框架继承树上的内容，它属于单独的分支，Collections 是一个包装类，它的作用就是为集合框架提供某些功能实现，此类只包括静态方法操作或者返回 collections。

同步包装

同步包装器将自动同步（线程安全性）添加到任意集合。六个核心集合接口（ Collection，Set，List，Map，SortedSet 和 SortedMap）中的每一个都有一个静态工厂方法。

public static  Collection synchronizedCollection(Collection c);
public static  Set synchronizedSet(Set s);
public static  List synchronizedList(List list);
public static <K,V> Map<K,V> synchronizedMap(Map<K,V> m);
public static  SortedSet synchronizedSortedSet(SortedSet s);
public static <K,V> SortedMap<K,V> synchronizedSortedMap(SortedMap<K,V> m);

不可修改的包装

不可修改的包装器通过拦截修改集合的操作并抛出 UnsupportedOperationException，主要用在下面两个情景：

构建集合后使其不可变。在这种情况下，最好不要去获取返回 collection 的引用，这样有利于保证不变性
允许某些客户端以只读方式访问你的数据结构。你保留对返回的 collection 的引用，但分发对包装器的引用。通过这种方式，客户可以查看但不能修改，同时保持完全访问权限。

这些方法是：

public static  Collection unmodifiableCollection(Collection<? extends T> c);
public static  Set unmodifiableSet(Set<? extends T> s);
public static  List unmodifiableList(List<? extends T> list);
public static <K,V> Map<K, V> unmodifiableMap(Map<? extends K, ? extends V> m);
public static  SortedSet unmodifiableSortedSet(SortedSet<? extends T> s);
public static <K,V> SortedMap<K, V> unmodifiableSortedMap(SortedMap<K, ? extends V> m);

线程安全的 Collections

Java1.5 并发包 (java.util.concurrent) 提供了线程安全的 collections 允许遍历的时候进行修改，通过设计 iterator 为 fail-fast 并抛出 ConcurrentModificationException。一些实现类是CopyOnWriteArrayList，ConcurrentHashMap，CopyOnWriteArraySet

Collections 算法

此类包含用于集合框架算法的方法，例如二进制搜索，排序，重排，反向等。

有兴趣的读者可以阅读https://docs.oracle.com/javase/tutorial/collections/algorithms/ 本篇暂不探讨算法问题。

06、Arrays 类

这个类包含各种各样的操作数组的方法(例如排序和查找)。这个类也包含一个静态工厂把数组当作列表来对待。如果指定数组的引用为 null，这个类中的方法都会抛出 NullPointerException，除非有另外说明。

详细的用法请参考JAVA 基础——Arrays 工具类十大常用方法[6]

07、集合实现类特征图

下图汇总了部分集合框架的主要实现类的特征图，让你能有清晰明了看出每个实现类之间的差异性

集合	排序	随机访问	key-value 存储	重复元素	空元素	线程安全
ArrayList	Y	Y	N	Y	Y	N
LinkedList	Y	N	N	Y	Y	N
HashSet	N	N	N	N	Y	N
TreeSet	Y	N	N	N	N	N
HashMap	N	Y	Y	N	Y	N
TreeMap	Y	Y	Y	N	N	N
Vector	Y	Y	N	Y	Y	Y
Hashtable	N	Y	Y	N	N	Y
ConcurrentHashMap	N	Y	Y	N	N	Y
Stack	Y	N	N	Y	Y	Y
CopyOnWriteArrayList	Y	Y	N	Y	Y	Y

08、相关集合的面试题

碍于篇幅的原因，这里就不贴出来具体的面试题和答案了，我提供了一些面试题的相关文章，请你参考

经典 Java 集合面试题 https://blog.csdn.net/u010775025/article/details/79315361

关于集合类的使用 https://github.com/hollischuang/toBeTopJavaer

Java 集合必会 14 问（精选面试题整理）https://www.jianshu.com/p/939b8a672070

参考资料

[1]

for 、foreach 、iterator 三种遍历方式的比较: https://www.cnblogs.com/cxuanBlog/p/10927538.html

[2]

ArrayList相关方法介绍及源码分析: https://www.cnblogs.com/cxuanBlog/p/10949552.html

[3]

LinkedList 基本示例及源码解析: https://www.cnblogs.com/cxuanBlog/p/10952578.html

[4]

图解集合6：LinkedHashMap: https://www.cnblogs.com/xrq730/p/5052323.html

[5]

Comparable 和 Comparator的理解: https://www.cnblogs.com/cxuanBlog/p/10927495.html

[6]

JAVA基础——Arrays工具类十大常用方法: https://www.cnblogs.com/hysum/p/7094232.html

[7]

Comparable 和 Comparator的理解: https://www.cnblogs.com/cxuanBlog/p/10927495.html

[8]

for 、foreach 、iterator 三种遍历方式的比较: https://www.cnblogs.com/cxuanBlog/p/10927538.html

[9]

ArrayList相关方法介绍及源码分析: https://www.cnblogs.com/cxuanBlog/p/10949552.html

[10]

LinkedList 基本示例及源码解析: https://www.cnblogs.com/cxuanBlog/p/10952578.htm

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原始发表：2019-11-04，如有侵权请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除

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