Java 集合框架与数据结构核心速记笔记

核心总览：本笔记系统梳理了 Java 集合框架及线性数据结构的底层原理、并发控制、性能特征与适用场景。核心法则是：单线程重性能，高并发重安全，读多写少用并发，排序有序选树链。

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一、List 接口实现类（有序可重复）

集合类	底层结构	线程安全	核心特性与适用场景	典型实战用法
ArrayList	数组	否	查询极快 (O(1)) ，增删慢 (O(n))。适合查询多、增删少的单线程场景。	数据库批量查询结果遍历展示；预分配容量 new ArrayList<>(1000) 避免频繁扩容。
LinkedList	双向链表	否	头尾增删快 (O(1)) ，查询慢 (O(n))。适合频繁两端操作。	实现队列/栈（但推荐用 ArrayDeque）；严禁用 get(i) 做随机访问。
CopyOnWriteArrayList	数组(写时复制)	是	读无锁，写复制整个数组。适合读多写少的并发场景。	事件监听器列表（如 Dubbo 服务通知、ZooKeeper Watcher）；避免频繁写或大列表写。
Vector	数组	是(过时)	方法全 synchronized，性能差。	基本淘汰，仅用于兼容老旧遗留系统。

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二、Map 接口实现类（键值对映射）

集合类	底层结构	线程安全	核心特性与适用场景	典型实战用法
HashMap	数组+链表/红黑树	否	存取基本 O(1)，允许 null 键/值。最通用的 Map。	单线程下的键值缓存、映射关系存储；高并发下会导致环形链表或数据丢失。
ConcurrentHashMap	数组+链表/红黑树	是	高并发首选。JDK 8 用 CAS + synchronized 锁桶头，吞吐量极高。	微服务注册中心缓存元数据、管理连接；Key/Value 均不允许为 null。
Hashtable	数组+链表	是(过时)	方法全 synchronized，全局一把锁，并发性能极差。	已淘汰，用 ConcurrentHashMap 替代。
LinkedHashMap	哈希表+双向链表	否	维护插入顺序或访问顺序。	实现 LRU 缓存（重写 removeEldestEntry），如 MyBatis 缓存。
TreeMap	红黑树	否	按 Key 自然排序或定制排序，查找 O(log n)。	排行榜、区间查询（如按时间戳查日志 subMap）。
WeakHashMap	哈希表	否	Key 为弱引用，GC 时自动回收。	监听器注册表，防止内存泄漏（外部引用消失，Map 自动清理）。
IdentityHashMap	数组(线性探测)	否	用 == 而非 equals 判断 Key 相等。	AOP 代理对象映射、目标对象追踪（如 Spring 内部实现）。

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三、Set 接口实现类（去重）

Set 内部依赖 Map 实现，利用 Key 不可重复特性。

• HashSet：基于 HashMap，存取 O(1)，不保序。用于常规去重（如标签、ID）。
• LinkedHashSet：基于 LinkedHashMap，维护插入顺序。
• TreeSet：基于 TreeMap，支持自然排序或定制排序。

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四、队列与栈

类别	推荐实现	核心特性	典型场景
双端队列(栈/队列)	ArrayDeque	数组实现，比 LinkedList 和 Stack 更快更省内存。	JVM 方法调用栈、线程池任务队列。
无锁并发队列	ConcurrentLinkedQueue	无锁高吞吐。	高并发生产者-消费者模型。
有界阻塞队列	ArrayBlockingQueue	满时阻塞生产者，空时阻塞消费者。	资源池、任务队列（如 Tomcat 工作线程），防内存溢出。
无界阻塞队列	LinkedBlockingQueue	吞吐量高于 Array，默认容量极大。	Executors.newFixedThreadPool 的底层队列。
直接交接队列	SynchronousQueue	不存储元素，生产者必须等消费者接收。	Executors.newCachedThreadPool，任务即时处理。
延迟队列	DelayQueue	元素到期才能取出。	定时任务调度、订单超时关闭。
优先级队列	PriorityBlockingQueue	按优先级出队（堆实现）。	优先级消息处理。

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五、基础数据结构对比

维度	数组 (如 ArrayList)	链表 (如 LinkedList)
内存布局	连续内存，大小固定	分散内存，靠指针相连
访问效率	随机访问 O(1)	随机访问 O(n)，需遍历
增删效率	中间增删 O(n)，需挪动数据	增删 O(1) （前提是已定位到位置）
空间开销	仅存数据，内存紧凑	需存前后指针，开销较大

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六、核心原理与底层机制

1. HashMap 核心机制

• 定位桶：(n - 1) & hash（容量必为 2 的幂，位运算替代取模，极速）。
• 树化机制：链表长度 > 8 且 数组长度 >= 64 时，链表转红黑树（查找从 O(n) 提升到 O(log n)）；树节点 < 6 时退回链表。
• 扩容机制：默认容量 16，负载因子 0.75（size > 16*0.75=12 时触发），扩容为原 2 倍，需重新计算所有元素位置。
• 性能优化：预估数据量时指定初始容量（如存 1000 个元素，设 new HashMap<>(2048)），避免频繁扩容。

2. 线程安全与并发控制

• ConcurrentHashMap (JDK 8+) ：摒弃 Segment，采用 CAS + synchronized，仅锁链表/红黑树头节点，并发度极高；读操作无锁（靠 volatile 保证可见性）。

• CopyOnWriteArrayList：写操作加锁并复制整个数组，读操作无锁；缺点：写代价高，内存占用大，数据弱一致性。

3. Fail-Fast 机制

• 集合内部维护 modCount，遍历期间若结构被修改，迭代器比对发现不一致则抛出 ConcurrentModificationException。
• 安全删除：遍历时删除必须用 iterator.remove()，或直接使用并发容器。

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七、实战避坑指南（⭐ 重点牢记）

1. ArrayList 必预分配：已知大小时 new ArrayList<>(capacity)，避免多次 1.5 倍扩容和数组拷贝。
2. 禁用 LinkedList 的 get(i) ：链表随机访问是 O(n)，性能极差。
3. CopyOnWriteArrayList 忌频繁写：写操作全量复制，大列表或高频写场景会拖垮性能。
4. 遍历时安全删除：严禁 list.remove(obj)，必须用迭代器的 remove()。
5. HashMap 忌并发写：多线程 put 会导致环形链表和数据丢失，务必用 ConcurrentHashMap。
6. 重写 equals 必重写 hashCode：否则 HashMap/HashSet 中逻辑相同的对象会被当成两个 Key，导致存取失败。
7. ConcurrentHashMap 不允许 null：Key/Value 均不能为 null，避免 containsKey 和 get 歧义。
8. 别用过时类：Stack（用 ArrayDeque）、Hashtable（用 ConcurrentHashMap）、Vector（用 CopyOnWriteArrayList）。
9. HashMap 容量设 2 的幂：保证 hash & (n-1) 等效取模且分布均匀，减少哈希冲突。