Java集合List、Set、Map底层源码解析

news2025/2/25 17:16:10

目录

    • 集合介绍
    • Map
      • HashMap
      • LinkedHashMap
      • HashTable
      • Properties
    • Collection
      • List
        • ArrayList
        • Vector
        • LinkedList
      • Set
        • HashSet
        • LinkedHashSet
        • TreeSet

集合介绍

为什么使用集合？
当我们想要保存一组数据时，可以使用到的变量类型有集合和数组。那么就像说一下数组的局限性：

  1. 数组一但类型确定，整个数组就只能放置此类型的数据，当然可以指定为类型为Object。
  2. 数组长度固定，当数据超出预先设定的大小时就会出错。有些集合类型虽然底层采用的也是数组，但集合对数组自动进行了管理，自动进行扩容，拷贝。
  3. 数组选择性少，无法根据数据使用情况选择合适的数据结构。数组就是一种数组数据结构，数组数据结构的特点就是一块连续的地址空间，可以很快的根据序号计算出各个元素的内存地址，但如果在中间插入数据、删除数据就需要将后面的数据依次地移动，因此对于一些频繁发生中插入和中删除的数据就不能选用数组。而集合采用的类型可以有很多，例如：linkedList就是采用双向链表的方式。数组只有一种类型进行选择，而集合对于数据频繁发生删除和增加可以选择链表类型结构。

数组比较原始，而集合功能比较丰富，有的集合底层就是个数组，是在数组基础上的一些功能的增强。数组只是一种数据类型，而集合可以使用的数据类型更多，像链表、数组、哈希表、红黑树等

集合分为单列集合和双列集合，单个值为一组的就是单列集合，K_V为一组的就是双列集合。
单列集合又分为两个大类，一个List，一个是Set，双列集合只有Map（k_V键值对方式，K不可重复）一个大类
为什么每种集合的功能不一样呢？因为他们要么底层数据结构不同，要么扩容机制不同，要么安全机制不同等。

一个种类的集合按照需求不同分为了许多种，这里只介绍具常用到的几种类型。注意乡民这个图只是进行一下分类而不是表示类和类的父子关系
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在读源码时发现一个特点：源码中真的很喜欢在判断，循环时进行赋值

Map

HashMap

HashMap的构造方法
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当添加一组K_V键值对时

先了解HashMao底层是怎样存储的
当放入一组key_value键值对时，先将key进行hash运算，然后根据hash运算结果除以底层Node<k_v>数组的长度计算出存储在Node<k_v>的位置，如果此位置已经有值，就向后存储，使得在Node<k_v>数组相同位置的节点形成一个单链表的结构。当链表数量超过8时，就对Node<k_v>数组进行扩容，如果已经扩容数组长度已经到64长度就将链表进行树化，转为红黑树。
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下面将详细介绍这一过程：
先将key判断是否为null，为null则值为0，不为null则获取它的hashCode右移16位
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每一组k_v键值对底层都是存储在Node<k_v>中的,而Node<k_v>继承了Map.Entry<k_v>
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具体的存储过程
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HashMap的底层是一个名为table的数组，当计算出的数组坐标已经有值时，就会以链表的形式向后存储。如果发现与自己hash值页相同的key，就将旧值取出然后使用新值覆盖掉。在此期间共发生两次扩容，一次是当table数组长度为0时，一个是当table数组长度（每次添加size就会++，所以算上了链表长度）达到警戒值时。那么扩容是怎样过程呢？这就需要查看resize()方法
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以上是当table表的总数超过阈值时或第一次向空table数组放入新值时对table数组的扩容，当单个链表的总数超过8也会进行一次树化
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那么为什么HashMap要采用数组+链表+红黑树这种存储方式呢？数组的特点是查找快，长度有限，但使用hash来确定数组角标容易产生hash碰撞，这就不得不使用链表。在根据key查找value时，先对key进行hash计算，这样就可以快速的定位但数组的某个位置。但这个位置可能有多个节点，因此就需要沿着链表依次比对key。但当这个链表过长时，就会使得在链表上查找花费的时间过长。因此当链表数量达到8时，要么对数组进行扩容，减少hash碰撞的概率，要么将链表进行树化，提升key的查找效率。

hashMap是如何根据key来查找元素的呢？
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思考：如果判断是否是要查找的节点的呢？
源码中已经给出，Hash值要相同（在添加节点时已经放入Node节点中），key要相同。HashMap的key不仅可以使用String类型，还可以使用对象。
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那么要想使得cat1对象能够覆盖掉cat2对象，或者是同一个类型的对象在map集合中只能有一个，或者只根据某个属性判断是否为同一个key，要怎么操作呢？
首先就要明白是如和判断key相同的，前面已经介绍过：hash值相同在比较key是否相同或相等。那么这就只需要重写每个类的HashCode和equals方法，使其能够按照我们的想法对判断是否为同一个key。
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HashMap的几种遍历方式
为什么说HashMap的插入时和遍历时是无序的呢？因为HashMap再插入时，是根据计算key的Hash值来获取要插入的数组位置的，而不是按照先后顺序在数组中依次排列。在遍历时，是按照数组顺序进行遍历的，这就会导致虽然插入顺序不一样，但他们在数组中或者在链表中是相连的，使得遍历结果顺序相同。
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Map集合可以将key单独放在一起作为一个keySet,将Value值放在一个作为Values，每一组key_value为Entry。但注意的是在无论是调用keySet（）方法或Values（）方法时，返回的值也是通过遍历Map获得的，不是又将key或Value再单独存一份。
例如：keySet源码
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从这个源码中，可以知道KeySet可以为一个Set集合也可以为一个对象，有size()，Clear（）方法等。
使用KeySet（）获取Keys，在通过Map查找key进行遍历
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使用EntrySet（）获取或者组k_v值
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LinkedHashMap

LinkedHashMap继承了HashMap类。将Node<k_v>这种单链表的基础上，多了个before, after指针，一个节点指向单向链表下一个节点的同时，还指向了它的上一个插入元素和下一个要插入的元素。
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这样就使得map的插入能有先后顺序，能在原数组和链表的基础上，通过第一个插入的节点顺着链表能一直找到最后一个节点
插入规则还是HashMap的方法，只是将Node节点更换
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相同与Hashmap中维护着两条互不相干的结构，一个存储用的链表/树，一个是用来遍历的链表，由first指向头，last指向尾
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在插入一个节点时，将原最后一个节点由新节点的before指针指向，同时将自己的节点赋值为tail，原最后一个节点的after指针指向最新插入的节点。这样在原HashMap的基础上，由插入顺序形成一个形成的单链表，使得插入有序
当LinkedHashMap执行keySet（）时，原HashMap是直接遍历table，然后遍历链表，那么看看作为有序LinkedhashMap是如何进行遍历的呢？
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LinedHashMap与hashMap遍历对比
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值的注意的是：LinkedHashMap与HashMap很像，LinedhashMap只是多个按照插入顺序形成的链表，两者在遍历方式外其余相差无几，二者都是不安全的

HashTable

Hashtable的构造时就已经对table数组完成初始化
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接下来让我们看一下HashTable的插入方式 HashTable的扩容机制与插入方式很特殊
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思考：Hashtable单纯在put数据时与HashMap有哪些不同呢？

  • HashTable在构造时就指定table的初始大小，默认为11，手动指定最少为1
  • HashTable计算存储数组角标是(hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length而hashMap是 (n - 1) &key.hashCode()) ^ (h >>> 16)。
  • HashTable是线程安全的，put方法有synchronized修饰，HashMap就是线程不安全的
  • HashTable插入数据时，是插入链表的前面，将此数组以前的空值也好，单个Entry也好，Entry链表也好，都放入插入节点的next后面
  • HashTable的Value在插入时不能为空。
  • Hashtable使用count记录节点数量，HashMap使用size记录
  • 扩容时机于条件不同
    在这里插入图片描述

相同部分：

  • 阈值比例依旧是0.75，但Hashtable在构造时可以指定

上面源码中当count >= threshold是会进行 rehash()也就是扩容，那么接下来介绍一下扩容的源码
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扩容方面与HashMap不同：

  • Hashtable扩容需要对数据重新移动位置
  • HashTable对链表的长度没有限制，没有树这一说

Properties

Properties继承了HashTable，与Hashtable很像，更适合用来读取配置文件并将其转为hashTable

Collection

Collection是一个单向集合的接口，在接口中定义了很多方法为所有单向集合共有的功能。
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List

ArrayList

ArrayList底层是一个名为elementData的数组，在创建ArrayList集合时，提供有参构造和无参构造
如果直接使用new ArrayList()，这种就是无参构造，在构造器的内部会为elementData数组赋值一个Object类型的空数组
无参构造创建ArrayList对象
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在构造ArrayList时，传入Collection集合，就会在将此集合完成转换，并在此集合基础上进行操作。
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在创建ArrayList对象时指定初始数组大小
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在向数组中初始添加元素时，会将elementData数组扩容至10
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那么当扩容的数组容量用完了怎么办？1.5倍扩容
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如果扩容后已经超出MAX_ARRAY_SIZE大小，那么就不在采用1.5倍的扩容方式，而是直接返回Integer.MAX_VALUE
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总结ArrayList的扩容方式
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s就是数据要存储时数组的坐标，如果s已经与数组大小相等就代表已经没有地方去存储新的数据了，初始时，s=0，elementData的长度为0，已经无法存储数据，需要扩容，扩容后，elementData[s]=当前数据，然后s++。当数组中添加完最后一个元素，s++=10时，就代表下一个元素是第11个数据，此时s=elementData.length，就需要再次扩容了。

Vector

无参创建Vector对象
Vector的底层也是采用的名为elementData的数组，对于数组的初始大小不像ArrayList那样：在添加元素时进行判断，判断是否是空数组扩容，如果是就扩容10个单位，Vector的如果是无参构造，在无参构造中就调用有参构造，将参数设置为10
在这里插入图片描述在创建对象时，就已经创建了创建了指定长度的Object型elementData数组，这点和上面的ArrayList很不相同
在向数组中初始添加元素时，与ArrayList不同的是，它是线程安全的。
在创建Vector时，可以指定每次扩容的大小，如果不指定，那么默认为在原数组大小基础上再加上同样大小
底层数组满了怎么办？2倍扩容
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那么如果在构造Veactor时手动指定elementData大小为0时，怎么办？
如果觉得创建Vector时默认就指定10个大小长度有些不妥，可以在创建对象时手动指定长度为0，这样elementData的长度就为0。在添加元素时就行扩充
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Vector与ArrayList不同之处

  • Vector是线程安全的，在add()方法前添加了synchronized，而ArrayList没有
  • Vector在无参构造创建对象是就开辟了elementData数组的大小，而ArrayList在无参构造创建对象时elementData数组的大小为空，只有在添加元素时才会进行初始化
  • Vector可以指定每次扩容大小，在有参构造的第一个参数指定elementData大小，第二个参数就是执行每次扩容大小。而ArrayList不能够指定，每次大小固定。
  • Vector若不指定每次扩容大小，则扩容时是新数组长度=原数组长度+原数组长度相当于是2倍，而ArrayList是新数组长度=原数组长度+0.5原数组长度相当于是1.5倍
  • ArrayList在构造时，可以赋值为一个集合的数据
    在这里插入图片描述

Vector与ArrayList的相同之处

  • 底层都采用名为elementData的数组
  • 触发扩容机制相同，都是当s==elementData.length时，调用扩容方法。扩容后将s作为新数据的数组的脚标，然后s++
    在这里插入图片描述
    Vector适用场景：
    如果对线程安全有要求，就使用Vector，如果想要手动指定每次扩容大小，就使用Vector。

总结：
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LinkedList

LinkdList底层采用的是双向链表，以上两个都是数组。链表和数组的不同就是，链表十分的灵活，添加元素只需要创建单个节点，然后将指针指向它即可，而数组需要提前开辟一段空间，这就使得LinkedList的构造方法与ArrayList、Vector都不相同，它不需要开辟空间。
值的注意的是：虽然java中没有指针的概念，但指针是真实存在的。例如：String a=new String(“test”)，a指向的就是堆空间中的String对象地址。
这里使用Java来写一个简单的单向链表
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LinkedList的构造方法
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但当向LinkedList中添加数据时

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将原来last执向的节点记录下来，然后将last指向新添加的节点。判断此节点是否是第一个节点，就要看原last指向节点是否为空，如果原last指向节点为空，那么此节点就是第一个节点，将执行第一个节点的first执行它。如果原last指向的节点不为空，那么代表新添加的节点前还有节点，因为在创建新节点时，已经将新节点的pred指针指向last指向的位置了，但对于上一个节点，还没有将next指向新添加的节点。
那么双向链表在移除元素时是怎样进行操作的？

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Set

HashSet

HashSet的本质就是一个HashMap，HashSet中的每个值都对应HashMap的key，并且它的value设置为空对象
这也就解释了HashSet的两大特性：

  1. 不重复：因为HashMap的key不允许重复
  2. 无序：说是无序准确来说是没有按照插入顺序，因为HashMap底层根据Hash值计算出数据在table数组（Node类型）中位置的，而不是按照插入顺序。

接下来介绍一下HashSet的源码，但因为前面已经介绍过HashMap,所以相同的部分这里不再赘述
HashSet的构造 HashSet的构造有很多，这里只介绍一下无参构造，有参构造要么是在指定阈值比例，要么就是table的初始化大小
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当添加数据时add()
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LinkedHashSet

LinkedHashSet同样底层是LinkedHashMap，那么LinkedhashMap相较于HashMap有什么特点呢？最大的特点就是单独维护一条链表使得HashMap的可以按照插入顺序进行输出。所以LinkedhashSet与HashSet最大的不同也是，LinkedHashMap是有序的，但Key依然不可重复
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当添加一个元素时
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TreeSet

TreeSet的底层使用的TreeMap，TreeMap的最大特点就是底层是一个红黑树，可以对插入key进行排序，当然要想自定义可以传入Comparator方法
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TreeSet同样将值作为TreeMap的key，可以对Set中的值进行排序。
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