概述

集合类存放于java.util包中。集合类存放的都是对象的引用，而非对象本身。常见的集合主要有三种——Set(集）、List（列表）和Map（映射）。List和Set 都实现了 Collection 接口，并且List和Set也是接口，Map 为独立接口。
常见的实现类如下：
List 的实现类有：ArrayList、Vector、LinkedList；
Set 的实现类有：HashSet、LinkedHashSet、TreeSet；
Map 的实现类有：Hashtable、HashMap、ArrayMap、LinkedHashMap、TreeMap。

List 有序，可重复

• ArrayList
  优点: 底层数据结构是数组Array，查询快。增删慢。
  缺点: 线程不安全，效率高

• Vector
  优点: 底层数据结构是数组Array，查询快。增删慢。
  缺点: 线程安全，效率低
  Vector是实现了 synchronized 的，这也是Vector和ArrayList的唯一的区别。

• LinkedList
  优点: 底层数据结构是链表LinkedList，增删快。查询慢。
  缺点: 线程不安全，效率高。
  链表的每一个节点（Node）都包含两方面的内容：1.节点本身的数据（data）；2.下一个节点的信息（nextNode）。所以当对LinkedList做添加，删除动作的时候就不用像基于Array的List一样，必须进行大量的数据移动。只要更改nextNode的相关信息就可以实现了。这就是LinkedList的优势。

Set 无序 不可重复

• HashSet
  底层数据结构是哈希表，无序。依赖两个方法来保证元素唯一性：hashCode()和equals()。
  调用add（）方法向Set中添加对象，使用对象的值来计算hashcode值，对于两个对象来说hashcode可能相同，所以equals()方法用来判断对象的相等性。

• LinkedHashSet
  底层数据结构是双向链表和哈希表，有序。
  由链表保证元素有序，由哈希表保证元素唯一。

• TreeSet
  底层数据结构是红黑树，内部实现排序，也可以自定义排序规则。
  自然排序、比较器排序保证元素排序。根据比较的返回值是否是0来保证元素唯一性。

• ArraySet
  底层数据结构是双数组，有序。
  Android.util包下的类，实时扩容，节约内存。推荐代替使用HashSet。

Map

K-V结构、键唯一、值不唯一。Map 集合中存储的是键值对，键不能重复，值可以重复。根据键得到值，对 map 集合遍历时先得到键的 set 集合，对 set 集合进行遍历，得到相应的值。

• HashMap ：底层是哈希表，无序，允许null 键和null值，线程不安全的，效率高（通过 hashCode（）和equals（）保证元素唯一）；

工作原理：

通过put()方法传递键(key)和值(value)时，我们先对键调用hashCode()方法，计算并返回的hashCode是用于找到Map数组的位置来储存Entry对象。hashCode()方法中是根据key的hash值来求得对应数组中的位置。因为HashMap的数据结构是数组和链表的结合，如果元素位置尽量的分布均匀些，使得每个位置上的元素数量只有一个，当我们用hash算法求得这个位置的时候，马上就可以知道对应位置的元素就是我们要的，而不用再去遍历链表。所以，我们首先想到的就是把hashcode对数组长度取模运算。

1、取模法

假如数组的长度等于5，这时有一个数据6，我们如何把这个6储存到长度只有5的数组中呢？取余法计算6%5等于1，即把6这个数据放到数组下标为1的位置。如果再有一个数据需要存储，取余法计算后也等于1，就调用equals()判断值是否相同，相同的话就不存储。但是，问题来了，值不相同就会造成Hash碰撞冲突了。

2、Hash碰撞冲突

HashCode()的作用就是保证对象返回唯一hash值对应Map数组中的bucket存储位置，但当两个数据计算后的值一样时，这就发生了碰撞冲突。例如，前面有6%5=1 得到数组下标为1的位置。此时，有个数据是11，那么11%5=1，但是这个为1的位置已经有了6这个数据了，这就叫Hash冲突。

3、解决Hash冲突

（1）开放定址法

开放地址法有个非常关键的特征，就是所有输入的元素全部存放在哈希表里。它的实现是，发生哈希冲突，就以当前地址为基准，某种探查技术在散列表中形成一个探查(测)序列，去寻找下一个地址，若发生冲突再去寻找，直至找到一个为空的地址为止。假如关键字key的哈希地址（hashCode）的值 p = H（key），此时出现冲突，就以p为基础，产生另一个哈希地址p1，如果p1仍然冲突，再以p为基础，产生另一个哈希地址p2，…，直到找出一个不冲突的哈希地址pi ，将相应元素存入其中。所以这种方法又称为再散列法。

开放定址法分为：线性探查法、二次探查法、伪随机探测法

线性探查：顺序查看表中下一单元，直到找出一个空单元或查遍全表；
二次探查：在表的左右进行跳跃式探测，比较灵活；
伪随机探测：建立一个伪随机数序列，如i=(i+p) % m，并给定一个随机数做起点，每次去加上这个伪随机数就可以了。

（2）拉链法

HashMap、HashSet其实都是采用的拉链法来解决哈希冲突的。主要是采用链表的形式去处理发生哈希冲突的关键字key。（jdk1.8之后采用链表+红黑树）

实现思想：将所有哈希地址为 i 的元素构成一个称为同义词链的单链表，并将单链表的头指针存在哈希表的第i个单元中，因而查找、插入和删除主要在同义词链中进行。

拉链法与开放定址法相比

①拉链法处理冲突简单，且无堆积现象，即非同义词决不会发生冲突，因此平均查找长度较短；

②由于拉链法中各链表上的结点空间是动态申请的，故它更适合于造表前无法确定表长的情况；

③开放定址法为减少冲突，要求装填因子α较小，故当结点规模较大时会浪费很多空间。而拉链法中可取α≥1，且结点较大时，拉链法中增加的指针域可忽略不计，因此节省空间；

④在用拉链法构造的散列表中，删除结点的操作易于实现。只要简单地删去链表上相应的结点即可。

拉链法需要额外的空间，故当结点规模较小时，开放定址法较为节省空间，而若将节省的指针空间用来扩大散列表的规模，可使装填因子变小，这又减少了开放定址法中的冲突，从而提高平均查找速度。

• HashTable ：底层是哈希表，无序，不允许null 键和null值；（因为equlas()方法需要对象，线程安全的，效率低，内部的方法基本都经synchronized修饰；父类是Dictionary。

• LinkedHashMap：底层是哈希表和链表；

• ConcurrentHashMap：底层采用分段的数组+链表实现，线程安全，通过把整个Map分为N个Segment，可以提供相同的线程安全，但是效率提升N倍，默认提升16倍。Hashtable的synchronized是针对整张Hash表的，即每次锁住整张表让线程独占，ConcurrentHashMap允许多个修改操作并发进行，其关键在于使用了锁分离技术有些方法需要跨段，比如size()和containsValue()，它们可能需要锁定整个表而而不仅仅是某个段，这需要按顺序锁定所有段，操作完毕后，又按顺序释放所有段的锁扩容：段内扩容（段内元素超过该段对应Entry数组长度的75%触发扩容，不会对整个Map进行扩容），插入前检测需不需要扩容，有效避免无效扩容。

• TreeMap —— 有序
  能够把它保存的键值对根据key排序，基于红黑树，从而保证TreeMap中所有键值对处于有序状态。

List、Set、Map值是否可以为null

List 允许为null

• 可以看到ArrayList可以存储多个null，ArrayList底层是数组，添加null并未对他的数据结构造成影响。
• LinkedList底层为双向链表，node.value = null 也没有问题。
• Vector 底层是数组，所以不会管你元素的内容是什么，可以存储多个null。

 public void testArrayList(){
        ArrayList<String> list = new ArrayList<>();
        list.add(null);
        list.add(null);
        Assert.assertEquals(2,list.size()); // success
    }


   public void testLinkedList(){
        LinkedList<String> list = new LinkedList<>();
        list.add(null);
        list.add(null);
        Assert.assertEquals(2,list.size()); // success
    }
 


public void VectorTest(){
        Vector box = new Vector();
        box.add(null);
        box.add(null);
        Assert.assertEquals(2,box.size()); //success
    }
 
    //Vector的add函数源码
    public synchronized boolean add(E e) {
        modCount++;
        ensureCapacityHelper(elementCount + 1);
        elementData[elementCount++] = e;
        return true;
    }

Set

• HashSet底层是HashMap，可以有1个为null的元素。
• LinkHashSet底层也是hashmap，允许存在一个为null的元素
• TreeSet不能有key为null的元素，会报NullPointerException

public void testHashSet(){
        HashSet<String> set = new HashSet<>();
        set.add(null);
        Assert.assertEquals(1,set.size()); //OK size = 1
        set.add(null);
        Assert.assertEquals(2,set.size()); //Error size = 1
 
    }
    
 public void testTreeSet(){
        TreeSet<String> set = new TreeSet<>();
        set.add(null); //Error NullPointException
    }

Map

• HashMap中只能有一个key为null的节点。因为Map的key相同时，后面的节点会替换之前相同key的节点。

 public void testHashMap(){
        HashMap<String,String> map = new HashMap<>();
        map.put(null,null);
        Assert.assertEquals(1,map.size()); //OK size = 1
 
        map.put(null,null);
        Assert.assertEquals(2,map.size()); //Error size = 1
    }

• TreeMap的put方法会调用compareTo方法，对象为null时，会报空指针错。

   public void testTreeMap(){
        TreeMap<String,String> map = new TreeMap<>();
        map.put(null,null);
        Assert.assertEquals(1,map.size()); //Error NullPointException
        
    }

• HashTable底层为散列表，无论是key为null，还是value为null，都会报错

public void HashTableTest(){
        Hashtable table = new Hashtable();
        table.put(new Object(),null); //Exception
        table.put(null,new Object()); //Exception
        table.put(null,null); //Exception
        Assert.assertEquals(1,table.size());
    }
 
    //hashTable  put函数源码
   public synchronized V put(K key, V value) {
        if (value == null) {   //value 需要判空，所以value不可为null
            throw new NullPointerException();
        }
        Entry<?,?> tab[] = table;
        int hash = key.hashCode();     //key需要拥有实例去调用hashCode方法，所以也不能为空
        int index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;
        @SuppressWarnings("unchecked")
        Entry<K,V> entry = (Entry<K,V>)tab[index];
        for(; entry != null ; entry = entry.next) {
            if ((entry.hash == hash) && entry.key.equals(key)) {
                V old = entry.value;
                entry.value = value;
                return old;
            }
        }
        addEntry(hash, key, value, index);
        return null;
    }

参考链接

Java集合中List,Set以及Map等集合体系详解(史上最全)
Java中 List、Set、Map 之间的区别
关于List，Set，Map能否存储null