注意：本文所有源码都是基于jdk1.8
java容器（集合）是java中比较重要的一个东西，经常会用到，在我们面试的时候也经常会用到。
一、 基本介绍
java容器类主要用来装对象，跟数组作用类似。
我们常用的按照接口划分主要分为两种：
collection和map
下面分别对我们常用的 list set map 单独展开来讲。
二、List
我们常用的list接口的实现类 有ArrayList 、 LinkedList和Vector。
- ArrayList
其中ArrayList 是我们用的最多的，操作读取操作效率高，基于数组实现的，可以为null值，可以允许重复元素，有序，异步。但是缺点也很明显，正因为是动态的数组，导致增删元素特别麻烦，且扩容特别麻烦，所以不适合频繁对元素进行插入和删除情形。 下面说下关于ArrayList的数据结构和新增元素的过程。
ArrayList底层基于数组。
/**
* Default initial capacity.
*/
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
/**
* Shared empty array instance used for empty instances.
*/
private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};
/**
* Shared empty array instance used for default sized empty instances. We
* distinguish this from EMPTY_ELEMENTDATA to know how much to inflate when
* first element is added.
*/
private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};
public ArrayList(int initialCapacity) {
if (initialCapacity > 0) {
this.elementData = new Object[initialCapacity];
} else if (initialCapacity == 0) {
this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
} else {
throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+
initialCapacity);
}
}
/**
* Constructs an empty list with an initial capacity of ten.
*/
public ArrayList() {
this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
}
初始化时是一个object类型的空数组，在第一次调用add方法时会扩容到一个默认值10，然后后面每次扩容都是 增加至1.5倍。可在源码中看到这样一段代码
private void grow(int minCapacity) {
// overflow-conscious code
int oldCapacity = elementData.length;
int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
// 右移一位相当于除以2
if (newCapacity - minCapacity < 0)
newCapacity = minCapacity;
if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
// minCapacity is usually close to size, so this is a win:
elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
}
// 从上面的源码可以看到那个 copyOf 方法，往下跟，可以看到下面这段源码
public static <T,U> T[] copyOf(U[] original, int newLength, Class<? extends T[]> newType) {
@SuppressWarnings("unchecked")
T[] copy = ((Object)newType == (Object)Object[].class)
? (T[]) new Object[newLength]
: (T[]) Array.newInstance(newType.getComponentType(), newLength);
System.arraycopy(original, 0, copy, 0,
Math.min(original.length, newLength));
return copy;
}
所以可以看到这个扩容过程比较复杂，当我们新增元素是，发现容量不够，会进行扩容，先创建一个同类型的数组，容量为原有+1的1.5倍(注意看源码size+1)，然后将原数组内容拷贝到新数组中，原数组引用指向新数组。在这里我们可以看到 arraylist扩容的开销是特别大的。
讲完扩容，下面再来看看新增元素的过程。 arraylist 在尾部添加元素的比较简单。
public boolean add(E e) {
ensureCapacityInternal(size + 1); // Increments modCount!!
elementData[size++] = e;
return true;
}
先看需要扩容不，然后直接放到尾部。
arraylist还给我们提供了在指定位置新增元素的方法。
//ArrayList.java
public void add(int index, E element) {
rangeCheckForAdd(index);
ensureCapacityInternal(size + 1); // Increments modCount!!
System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,
size - index);
elementData[index] = element;
size++;
}
可以看到这里面比较麻烦，我们用图描述一下
- LinkedList
linkedlist实现了list接口，所以也是有序的容器，具备list的一些特征。 先说说它的内部结构。
如图所示：linkedlist结构为双向链表，头节点为空，每个节点保存着上下元素的地址，所以这种结构在查找元素的时候会很慢，但是插入元素的时候会很快，且不存在扩容问题，下面看下插入元素过程。
public void add(int index, E element) {
checkPositionIndex(index);
if (index == size)
linkLast(element);
else
linkBefore(element, node(index));
}
/**
* Inserts element e before non-null Node succ.
*/
void linkBefore(E e, Node<E> succ) {
// assert succ != null;
final Node<E> pred = succ.prev;
final Node<E> newNode = new Node<>(pred, e, succ);
succ.prev = newNode;
if (pred == null)
first = newNode;
else
pred.next = newNode;
size++;
modCount++;
}
/**
* Links e as last element.
*/
void linkLast(E e) {
final Node<E> l = last;
final Node<E> newNode = new Node<>(l, e, null);
last = newNode;
if (l == null)
first = newNode;
else
l.next = newNode;
size++;
modCount++;
}
可以看到，linkedlist在add元素是比较简单，直接生成一个节点，节点内前后信息分别为插入点的前后节点信息，然后前节点的next指向新节点，后节点的pre指向新节点，就完成了一次插入。删除也是同理，删除指定的节点会有前后节点的信息，只要将对应的pre和next属性修改就行了。
关于linkedlist相关的就基本差不多了，这里多插一句，关于循环遍历时for 和 foreach的问题。一般来说 for循环适用数组结构，也就是java数组和Arraylist，而linkedlist双向链表结构的一般使用foreach，原因在于，for循环遍历linkedlist时会一直使用下标查找，对于linklist来说很慢，但是使用foreach 是用游标方式获取下一个，而链表结构的获取下一个不用查找，直接在节点信息里面有信息，可直接获取。当然，使用迭代器iterator也是比较好的方式。
100万数据遍历耗时如下所示：
除此以外上述两个容器都是线程不安全的。 List list = Collections.synchronizedList(new LinkedList()); 或者换用ConcurrentLinkedQueue。arraylist同理。
- Vector Vector非常类似ArrayList，但是Vector是同步的。由Vector创建的Iterator，虽然和ArrayList创建的 Iterator是同一接口，但是，因为Vector是同步的，当一个 Iterator被创建而且正在被使用，另一个线程改变了Vector的状态（例 如，添加或删除了一些元素），这时调用Iterator的方法时将抛出 ConcurrentModificationException，因此必须捕获该 异常。
- Stack Stack继承自Vector，实现一个后进先出的堆栈。Stack提供5个额外的方法使得Vector得以被当作堆栈使用。基本的push和pop方 法，还有 peek方法得到栈顶的元素，empty方法测试堆栈是否为空，search方法检测一个元素在堆栈中的位置。Stack刚创建后是空栈。
三、Map
先讲map，set有些东西是基于map的。首先，Map提供key到value的映射，map中key是唯一的。由于作为key的对象将通过计算其散列函数来确定与之对应的value的位置，因此任何作为key的对象都必须实现hashCode和equals方法。hashCode和equals方法继承自根类Object，如果你用自定义的类当作key的话，要相当小心，按照散列函数的定义，如果两个对象相同，即obj1.equals(obj2)=true，则它们的hashCode必须相同，但如果两个对象不同，则它们的hashCode不一定不同，如果两个不同对象的hashCode相同，这种现象称为冲突，冲突会导致操作哈希表的时间开销增大，所以尽量定义好的hashCode()方法，能加快哈希表的操作。
- HashMap
hashmap的键和值都允许是null，映射对的顺序是变化的，无序的。需要注意的是Hashmap 不是同步的，线程不安全，所以使用ConcurrentHashMap 或者其他方式自行解决线程安全问题
HashMap实际上是一个“链表散列”的数据结构，即数组和链表的结合体。（jdk1.8之后对于链表长度超过8的转储为红黑树）
其中，这里数组的 默认长度和 最大长度以及 这里特有的一个扩容阀值因子如下：
//默认的容量，即默认的数组长度 16
static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4;
//最大的容量，即数组可定义的最大长度
static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;
//HashMap 中默认负载因子为 0.75
static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;
//当链表长度大于8时 变为红黑树
static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8;
然后分析一下构造函数 ，其中，出了下面这个比较复杂以外，其他的都是基于这个。
public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {
if (initialCapacity < 0)
throw new IllegalArgumentException("Illegal initial capacity: " +
initialCapacity);
if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)
initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor))
throw new IllegalArgumentException("Illegal load factor: " +
loadFactor);
this.loadFactor = loadFactor;
this.threshold = tableSizeFor(initialCapacity);
}
/**
* 这是一个小巧但精妙的方法，这里通过异或的位运算将两个字节的 n 打造成比 cap 大但最接近 2 的 n 次幂的一个数值。
*/
static final int tableSizeFor(int cap) {
int n = cap - 1;
n |= n >>> 1;
n |= n >>> 2;
n |= n >>> 4;
n |= n >>> 8;
n |= n >>> 16;
return (n < 0) ? 1 : (n >= MAXIMUM_CAPACITY) ? MAXIMUM_CAPACITY : n + 1;
}
所以，hashmap的数组的长度始终都是2的倍数，比如传了17进来，最终的长度会是32。 当然，hashmap都是懒加载，所以其实在创建的时候 并不会有实际的容量的，仅仅只是初始化参数。在第一次push 的时候会进行相应的初始化，这个在下面的push方法的源码可以看到，会调用resize方法
下面来看下put方法
public V put(K key, V value) {
return putVal(hash(key), key, value, false, true);
}
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;
//根据键的hash值找到该键对应到数组中存储的索引，所以为什么重写equals方法时要重写 hashcode方法
if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
//如果没找到，直接新增一个节点，然后作为数组的某个元素的第一个节点
tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
else {
//如果已经被占用，则添加到尾部
Node<K,V> e; K k;
//当前结点和将要插入的结点的 hash和key相同，说明这是一次修改操作
if (p.hash == hash &&
((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
e = p;
//如果 p 这个头结点是红黑树结点的话，以红黑树的插入形式进行插入
else if (p instanceof TreeNode)
e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
//遍历此条链表，将构建一个节点插入到该链表的尾部
else {
for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
if ((e = p.next) == null) {
p.next = newNode(hash, key, value, null);
//如果插入后链表长度大于等于 8 ，将链表裂变成红黑树
if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
treeifyBin(tab, hash);
break;
}
//遍历的过程中，如果发现与某个结点的hash和key，这依然是一次修改操作
if (e.hash == hash &&
((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
break;
p = e;
}
}
//e 不是 null，说明当前的 put 操作是一次修改操作并且e指向的就是需要被修改的结点
if (e != null) { // existing mapping for key
V oldValue = e.value;
if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
e.value = value;
afterNodeAccess(e);
return oldValue;
}
}
++modCount;
//如果添加后，数组容量达到阈值，进行扩容 阀值为容量*系数
if (++size > threshold)
resize();
afterNodeInsertion(evict);
return null;
}
其中关于这段获取索引值的方法 （table.size - 1）& hash ， table的大小一直是2的倍数，2的N次方，因此当前元素插入table的索引的值为其hash值的后N位组成的值。
final Node<K,V>[] resize() {
Node<K,V>[] oldTab = table;
int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;
int oldThr = threshold;
int newCap, newThr = 0;
if (oldCap > 0) {
if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
threshold = Integer.MAX_VALUE;
return oldTab;
}
else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&
oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
newThr = oldThr << 1; // double threshold
}
else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold
newCap = oldThr;
else { // zero initial threshold signifies using defaults
newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;
newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);
}
if (newThr == 0) {
float ft = (float)newCap * loadFactor;
newThr = (newCap < MAXIMUM_CAPACITY && ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY ?
(int)ft : Integer.MAX_VALUE);
}
threshold = newThr;
@SuppressWarnings({"rawtypes","unchecked"})
Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap];
table = newTab;
if (oldTab != null) {
for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {
Node<K,V> e;
if ((e = oldTab[j]) != null) {
oldTab[j] = null;
if (e.next == null)
newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;
else if (e instanceof TreeNode)
((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);
else { // preserve order
Node<K,V> loHead = null, loTail = null;
Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null;
Node<K,V> next;
do {
next = e.next;
if ((e.hash & oldCap) == 0) {
if (loTail == null)
loHead = e;
else
loTail.next = e;
loTail = e;
}
else {
if (hiTail == null)
hiHead = e;
else
hiTail.next = e;
hiTail = e;
}
} while ((e = next) != null);
if (loTail != null) {
loTail.next = null;
newTab[j] = loHead;
}
if (hiTail != null) {
hiTail.next = null;
newTab[j + oldCap] = hiHead;
}
}
}
}
}
return newTab;
}
当table需要扩容时，从第11 ~ 13行可以看到，扩容后的table大小变为原来的两倍，接下来就是进行扩容后table的调整： 假设扩容前的table大小为2的N次方，有上述put方法解析可知，元素的table索引为其hash值的后N位确定 那么扩容后的table大小即为2的N+1次方，则其中元素的table索引为其hash值的后N+1位确定，比原来多了一位 因此，table中的元素只有两种情况： 元素hash值第N+1位为0：不需要进行位置调整 元素hash值第N+1位为1：调整至原索引的两倍位置 在resize方法中，第45行的判断即用于确定元素hashi值第N+1位是否为0： 若为0，则使用loHead与loTail，将元素移至新table的原索引处 若不为0，则使用hiHead与hiHead，将元素移至新table的两倍索引处 扩容或初始化完成后，resize方法返回新的table。
- HashTable
hashtable也是一种key-value的形式，但是他的key和value均不能为空，是线程安全的。其他的基本和hashmap类似。
HashTable和HashMap区别
第一、继承不同。 public class Hashtable extends Dictionary implements Map public class HashMap extends AbstractMap implements Map
第二、Hashtable 中的方法是同步的，而HashMap中的方法在缺省情况下是非同步的。在多线程并发的环境下，可以直接使用Hashtable，但是要使用HashMap的话就要自己增加同步处理了。
第三、Hashtable中，key和value都不允许出现null值。在HashMap中，null可以作为键，这样的键只有一个；可以有一个或多个键所对应的值为null。当get()方法返回null值时，即可以表示 HashMap中没有该键，也可以表示该键所对应的值为null。因此，在HashMap中不能由get()方法来判断HashMap中是否存在某个键， 而应该用containsKey()方法来判断。
第四、两个遍历方式的内部实现上不同。Hashtable、HashMap都使用了 Iterator。而由于历史原因，Hashtable还使用了Enumeration的方式 。
第五、哈希值的使用不同，HashTable直接使用对象的hashCode。而HashMap重新计算hash值。
第六、Hashtable和HashMap它们两个内部实现方式的数组的初始大小和扩容的方式。HashTable中hash数组默认大小是11，增加的方式是 old2+1。HashMap中hash数组的默认大小是16，而且一定是2的指数，每次2
WeakHashMap是一种改进的HashMap，它对key实行“弱引用”，如果一个key不再被外部所引用，那么该key可以被GC回收。不做重点说明。
- TreeMap treemap这里只简单描述一下，里买呢涉及到红黑树，以后有机会单独写一篇文章专门讲述。 TreeMap 是一个有序的key-value集合，它是通过红黑树实现的。 TreeMap 继承于AbstractMap，所以它是一个Map，即一个key-value集合。 TreeMap 实现了NavigableMap接口，意味着它支持一系列的导航方法。比如返回有序的key集合。 TreeMap 实现了Cloneable接口，意味着它能被克隆。 TreeMap 实现了java.io.Serializable接口，意味着它支持序列化。
TreeMap基于红黑树（Red-Black tree）实现。该映射根据其键的自然顺序进行排序，或者根据创建映射时提供的 Comparator 进行排序，具体取决于使用的构造方法。 TreeMap的基本操作 containsKey、get、put 和 remove 的时间复杂度是 log(n) 。
综上：treemap一般我们能用到的就只有当我们需要对map里面的元素进行排序的时候才需要用到。
- LinkedHashMap linkedhashmap一般用的少，可以理解为一个有序的 hashmap，用双向链表来维护添加的顺序，以保证迭代的时候顺序是放入的顺序。
LinkedHashMap treemap和hashmap的区别：
1.HashMap无序，TreeMap 有序（默认按照key的升序，这里的有序不是指放入的顺序），linkedhashmap 有序，由双向链表维护放入的顺序。
2.HashMap TreeMap linkedhashmap 都是非线程安全
3.HashMap：基于哈希表实现。使用HashMap要求添加的键类明确定义了hashCode()和equals()[可以重写hashCode()和equals()]，为了优化HashMap空间的使用，您可以调优初始容量和负载因子。TreeMap：基于红黑树实现。TreeMap没有调优选项，因为该树总处于平衡状态。
4.HashMap：适用于在Map中插入、删除和定位元素。
Treemap：适用于按自然顺序或自定义顺序遍历键(key)。
5:HashMap key和 value都能为空。
treemap value允许为空，key要分情况，如果自己实现了 compare 方法，对空值进行判断处理，则允许为空，否则则不允许为空。
linkedhashmap key和 value都能为空。
- ConcurrentHashMap 由于hashmap线程不安全，所以为解决这个问题，有了 ConcurrentHashMap，这里不做详细说明。大致说下实现，他在 jdk1.7和1.8实现是不一样的，jdk1.7中采用Segment + HashEntry的方式进行实现，而1.8中放弃了Segment臃肿的设计，取而代之的是采用Node + CAS + Synchronized来保证并发安全进行实现。（背着面试用用，有兴趣的可以详细了解）。
四、Set
Set接口继承自Collection接口，但是其实现是基于map的，HashSet是基于HashMap来实现的，相当于只是用map的key，然后将value设为一个固定值，
// 构造方法，可以看到里面有个属性放置的就是 hashmap
public HashSet(int initialCapacity, float loadFactor) {
map = new HashMap<>(initialCapacity, loadFactor);
}
// Dummy value to associate with an Object in the backing Map
private static final Object PRESENT = new Object();
// 可以看到 add方法是直接将对象作为key， 然后将 presend这个固定的object作为value
public boolean add(E e) {
return map.put(e, PRESENT)==null;
}
TreeSet 也是同理，基于 TreeMap。
所以在对象要使用 set来装时 也是一样的要自己实现 hashcode方法和equals方法。
- HashTable
和HashMap一样，HashTable也是一个散列表，它存储的内容是键值对映射，存在单链表结构。HashTable继承于Dictionary，实现了Map、Cloneable、java.io.Serializable接口。HashTable的函数都是同步的，这意味着它是线程安全的。它的Key、Value都不可以为null。此外，HashTable中的映射不是有序的。 成员变量也和hashmap类似
/**
* Constructs a new, empty hashtable with a default initial capacity (11)
* and load factor (0.75).
*/
public Hashtable() {
this(11, 0.75f);
}
其实现原理和hashmap基本类似，但是和hashmap有以下区别。 1.HashTable并没有去继承AbstractMap，而是选择继承了Dictionary类 2.HashTable的默认容量为11，默认负载因子为0.75。（HashMap默认容量是16，默认负载因子也是0.75） 3.HashTable的容量可以为任意整数，最小值为1，而HashMap的容量始终为2的n次方。 4.HashTable是线程安全的，HashMap是线程不安全的。 5.HashTable不允许null作为key和value，而HashMap允许null作为key和value。
关于集合，就这么多了，还有需要详细描述的以后再单独的当作一个话题来描述。
