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Java
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Java
<!-- GFM-TOC -->
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* [一、概览](#一概览)
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* [Collection](#collection)
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* [Map](#map)
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* [二、容器中的设计模式](#二容器中的设计模式)
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* [迭代器模式](#迭代器模式)
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* [适配器模式](#适配器模式)
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* [三、源码分析](#三源码分析)
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* [ArrayList](#arraylist)
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* [Vector](#vector)
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* [CopyOnWriteArrayList](#copyonwritearraylist)
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* [LinkedList](#linkedlist)
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* [HashMap](#hashmap)
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* [ConcurrentHashMap](#concurrenthashmap)
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* [LinkedHashMap](#linkedhashmap)
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* [WeakHashMap](#weakhashmap)
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* [参考资料](#参考资料)
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# 一、概览
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容器主要包括 Collection 和 Map 两种，Collection 存储着对象的集合，而 Map 存储着键值对（两个对象）的映射表。
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## Collection
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<div align="center"> <img src="https://cs-notes-1256109796.cos.ap-guangzhou.myqcloud.com/image-20191208220948084.png"/> </div><br>
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### 1. Set
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- TreeSet：基于红黑树实现，支持有序性操作，例如根据一个范围查找元素的操作。但是查找效率不如 HashSet，HashSet 查找的时间复杂度为 O(1)，TreeSet 则为 O(logN)。
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- HashSet：基于哈希表实现，支持快速查找，但不支持有序性操作。并且失去了元素的插入顺序信息，也就是说使用 Iterator 遍历 HashSet 得到的结果是不确定的。
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- LinkedHashSet：具有 HashSet 的查找效率，并且内部使用双向链表维护元素的插入顺序。
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### 2. List
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- ArrayList：基于动态数组实现，支持随机访问。
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- Vector：和 ArrayList 类似，但它是线程安全的。
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- LinkedList：基于双向链表实现，只能顺序访问，但是可以快速地在链表中间插入和删除元素。不仅如此，LinkedList 还可以用作栈、队列和双向队列。
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### 3. Queue
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- LinkedList：可以用它来实现双向队列。
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- PriorityQueue：基于堆结构实现，可以用它来实现优先队列。
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## Map
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<div align="center"> <img src="https://cs-notes-1256109796.cos.ap-guangzhou.myqcloud.com/image-20201101234335837.png"/> </div><br>
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- TreeMap：基于红黑树实现。
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- HashMap：基于哈希表实现。
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- HashTable：和 HashMap 类似，但它是线程安全的，这意味着同一时刻多个线程同时写入 HashTable 不会导致数据不一致。它是遗留类，不应该去使用它，而是使用 ConcurrentHashMap 来支持线程安全，ConcurrentHashMap 的效率会更高，因为 ConcurrentHashMap 引入了分段锁。
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- LinkedHashMap：使用双向链表来维护元素的顺序，顺序为插入顺序或者最近最少使用（LRU）顺序。
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# 二、容器中的设计模式
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## 迭代器模式
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<div align="center"> <img src="https://cs-notes-1256109796.cos.ap-guangzhou.myqcloud.com/image-20191208225301973.png"/> </div><br>
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Collection 继承了 Iterable 接口，其中的 iterator() 方法能够产生一个 Iterator 对象，通过这个对象就可以迭代遍历 Collection 中的元素。
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从 JDK 1.5 之后可以使用 foreach 方法来遍历实现了 Iterable 接口的聚合对象。
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```java
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List<String> list = new ArrayList<>();
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list.add("a");
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list.add("b");
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for (String item : list) {
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System.out.println(item);
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}
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```
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## 适配器模式
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java.util.Arrays#asList() 可以把数组类型转换为 List 类型。
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```java
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@SafeVarargs
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public static <T> List<T> asList(T... a)
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```
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应该注意的是 asList() 的参数为泛型的变长参数，不能使用基本类型数组作为参数，只能使用相应的包装类型数组。
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```java
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Integer[] arr = {1, 2, 3};
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List list = Arrays.asList(arr);
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```
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也可以使用以下方式调用 asList()：
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```java
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List list = Arrays.asList(1, 2, 3);
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```
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# 三、源码分析
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如果没有特别说明，以下源码分析基于 JDK 1.8。
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在 IDEA 中 double shift 调出 Search EveryWhere，查找源码文件，找到之后就可以阅读源码。
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## ArrayList
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### 1. 概览
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因为 ArrayList 是基于数组实现的，所以支持快速随机访问。RandomAccess 接口标识着该类支持快速随机访问。
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```java
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public class ArrayList<E> extends AbstractList<E>
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implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable
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```
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数组的默认大小为 10。
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```java
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private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
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```
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<div align="center"> <img src="https://cs-notes-1256109796.cos.ap-guangzhou.myqcloud.com/image-20191208232221265.png"/> </div><br>
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### 2. 扩容
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添加元素时使用 ensureCapacityInternal() 方法来保证容量足够，如果不够时，需要使用 grow() 方法进行扩容，新容量的大小为 `oldCapacity + (oldCapacity >> 1)`，也就是旧容量的 1.5 倍。
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扩容操作需要调用 `Arrays.copyOf()` 把原数组整个复制到新数组中，这个操作代价很高，因此最好在创建 ArrayList 对象时就指定大概的容量大小，减少扩容操作的次数。
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```java
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public boolean add(E e) {
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ensureCapacityInternal(size + 1); // Increments modCount!!
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elementData[size++] = e;
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return true;
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}
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private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
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if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
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minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
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}
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ensureExplicitCapacity(minCapacity);
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}
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private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
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modCount++;
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// overflow-conscious code
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if (minCapacity - elementData.length > 0)
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grow(minCapacity);
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}
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private void grow(int minCapacity) {
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// overflow-conscious code
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int oldCapacity = elementData.length;
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int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
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if (newCapacity - minCapacity < 0)
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newCapacity = minCapacity;
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if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
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newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
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// minCapacity is usually close to size, so this is a win:
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elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
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}
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```
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### 3. 删除元素
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需要调用 System.arraycopy() 将 index+1 后面的元素都复制到 index 位置上，该操作的时间复杂度为 O(N)，可以看到 ArrayList 删除元素的代价是非常高的。
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```java
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public E remove(int index) {
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rangeCheck(index);
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modCount++;
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E oldValue = elementData(index);
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int numMoved = size - index - 1;
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if (numMoved > 0)
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System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index, numMoved);
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elementData[--size] = null; // clear to let GC do its work
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return oldValue;
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}
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```
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### 4. 序列化
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ArrayList 基于数组实现，并且具有动态扩容特性，因此保存元素的数组不一定都会被使用，那么就没必要全部进行序列化。
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保存元素的数组 elementData 使用 transient 修饰，该关键字声明数组默认不会被序列化。
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```java
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transient Object[] elementData; // non-private to simplify nested class access
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```
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ArrayList 实现了 writeObject() 和 readObject() 来控制只序列化数组中有元素填充那部分内容。
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```java
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private void readObject(java.io.ObjectInputStream s)
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throws java.io.IOException, ClassNotFoundException {
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elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
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// Read in size, and any hidden stuff
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s.defaultReadObject();
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// Read in capacity
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s.readInt(); // ignored
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if (size > 0) {
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// be like clone(), allocate array based upon size not capacity
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ensureCapacityInternal(size);
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Object[] a = elementData;
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// Read in all elements in the proper order.
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for (int i=0; i<size; i++) {
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a[i] = s.readObject();
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}
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}
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}
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```
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```java
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private void writeObject(java.io.ObjectOutputStream s)
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throws java.io.IOException{
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// Write out element count, and any hidden stuff
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int expectedModCount = modCount;
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s.defaultWriteObject();
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// Write out size as capacity for behavioural compatibility with clone()
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s.writeInt(size);
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// Write out all elements in the proper order.
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for (int i=0; i<size; i++) {
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s.writeObject(elementData[i]);
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}
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if (modCount != expectedModCount) {
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throw new ConcurrentModificationException();
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}
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}
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```
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序列化时需要使用 ObjectOutputStream 的 writeObject() 将对象转换为字节流并输出。而 writeObject() 方法在传入的对象存在 writeObject() 的时候会去反射调用该对象的 writeObject() 来实现序列化。反序列化使用的是 ObjectInputStream 的 readObject() 方法，原理类似。
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```java
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ArrayList list = new ArrayList();
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ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream(file));
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oos.writeObject(list);
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```
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### 5. Fail-Fast
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modCount 用来记录 ArrayList 结构发生变化的次数。结构发生变化是指添加或者删除至少一个元素的所有操作，或者是调整内部数组的大小，仅仅只是设置元素的值不算结构发生变化。
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在进行序列化或者迭代等操作时，需要比较操作前后 modCount 是否改变，如果改变了需要抛出 ConcurrentModificationException。代码参考上节序列化中的 writeObject() 方法。
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## Vector
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### 1. 同步
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它的实现与 ArrayList 类似，但是使用了 synchronized 进行同步。
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```java
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public synchronized boolean add(E e) {
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modCount++;
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ensureCapacityHelper(elementCount + 1);
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elementData[elementCount++] = e;
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return true;
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}
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public synchronized E get(int index) {
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if (index >= elementCount)
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throw new ArrayIndexOutOfBoundsException(index);
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return elementData(index);
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}
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```
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### 2. 扩容
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Vector 的构造函数可以传入 capacityIncrement 参数，它的作用是在扩容时使容量 capacity 增长 capacityIncrement。如果这个参数的值小于等于 0，扩容时每次都令 capacity 为原来的两倍。
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```java
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public Vector(int initialCapacity, int capacityIncrement) {
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super();
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if (initialCapacity < 0)
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throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+
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initialCapacity);
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this.elementData = new Object[initialCapacity];
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this.capacityIncrement = capacityIncrement;
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}
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```
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```java
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private void grow(int minCapacity) {
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// overflow-conscious code
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int oldCapacity = elementData.length;
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int newCapacity = oldCapacity + ((capacityIncrement > 0) ?
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capacityIncrement : oldCapacity);
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if (newCapacity - minCapacity < 0)
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newCapacity = minCapacity;
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if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
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newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
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elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
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}
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```
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调用没有 capacityIncrement 的构造函数时，capacityIncrement 值被设置为 0，也就是说默认情况下 Vector 每次扩容时容量都会翻倍。
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```java
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public Vector(int initialCapacity) {
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this(initialCapacity, 0);
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}
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public Vector() {
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this(10);
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}
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```
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### 3. 与 ArrayList 的比较
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- Vector 是同步的，因此开销就比 ArrayList 要大，访问速度更慢。最好使用 ArrayList 而不是 Vector，因为同步操作完全可以由程序员自己来控制；
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- Vector 每次扩容请求其大小的 2 倍（也可以通过构造函数设置增长的容量），而 ArrayList 是 1.5 倍。
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### 4. 替代方案
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可以使用 `Collections.synchronizedList();` 得到一个线程安全的 ArrayList。
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```java
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List<String> list = new ArrayList<>();
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List<String> synList = Collections.synchronizedList(list);
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```
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也可以使用 concurrent 并发包下的 CopyOnWriteArrayList 类。
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```java
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List<String> list = new CopyOnWriteArrayList<>();
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```
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## CopyOnWriteArrayList
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### 1. 读写分离
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写操作在一个复制的数组上进行，读操作还是在原始数组中进行，读写分离，互不影响。
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写操作需要加锁，防止并发写入时导致写入数据丢失。
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写操作结束之后需要把原始数组指向新的复制数组。
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```java
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public boolean add(E e) {
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final ReentrantLock lock = this.lock;
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lock.lock();
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try {
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Object[] elements = getArray();
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int len = elements.length;
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Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
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newElements[len] = e;
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setArray(newElements);
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return true;
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} finally {
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lock.unlock();
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}
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}
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final void setArray(Object[] a) {
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array = a;
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}
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```
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```java
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@SuppressWarnings("unchecked")
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private E get(Object[] a, int index) {
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return (E) a[index];
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}
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```
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### 2. 适用场景
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CopyOnWriteArrayList 在写操作的同时允许读操作，大大提高了读操作的性能，因此很适合读多写少的应用场景。
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但是 CopyOnWriteArrayList 有其缺陷：
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- 内存占用：在写操作时需要复制一个新的数组，使得内存占用为原来的两倍左右；
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- 数据不一致：读操作不能读取实时性的数据，因为部分写操作的数据还未同步到读数组中。
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所以 CopyOnWriteArrayList 不适合内存敏感以及对实时性要求很高的场景。
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## LinkedList
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### 1. 概览
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基于双向链表实现，使用 Node 存储链表节点信息。
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```java
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private static class Node<E> {
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E item;
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Node<E> next;
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Node<E> prev;
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}
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```
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每个链表存储了 first 和 last 指针：
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```java
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transient Node<E> first;
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transient Node<E> last;
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```
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<div align="center"> <img src="https://cs-notes-1256109796.cos.ap-guangzhou.myqcloud.com/image-20191208233940066.png"/> </div><br>
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### 2. 与 ArrayList 的比较
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ArrayList 基于动态数组实现，LinkedList 基于双向链表实现。ArrayList 和 LinkedList 的区别可以归结为数组和链表的区别：
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- 数组支持随机访问，但插入删除的代价很高，需要移动大量元素；
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- 链表不支持随机访问，但插入删除只需要改变指针。
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## HashMap
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为了便于理解，以下源码分析以 JDK 1.7 为主。
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### 1. 存储结构
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内部包含了一个 Entry 类型的数组 table。Entry 存储着键值对。它包含了四个字段，从 next 字段我们可以看出 Entry 是一个链表。即数组中的每个位置被当成一个桶，一个桶存放一个链表。HashMap 使用拉链法来解决冲突，同一个链表中存放哈希值和散列桶取模运算结果相同的 Entry。
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<div align="center"> <img src="https://cs-notes-1256109796.cos.ap-guangzhou.myqcloud.com/image-20191208234948205.png"/> </div><br>
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```java
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transient Entry[] table;
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```
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```java
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static class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
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final K key;
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V value;
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Entry<K,V> next;
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int hash;
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Entry(int h, K k, V v, Entry<K,V> n) {
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value = v;
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next = n;
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key = k;
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hash = h;
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}
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public final K getKey() {
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return key;
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}
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public final V getValue() {
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return value;
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}
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public final V setValue(V newValue) {
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V oldValue = value;
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value = newValue;
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return oldValue;
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}
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public final boolean equals(Object o) {
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if (!(o instanceof Map.Entry))
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return false;
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Map.Entry e = (Map.Entry)o;
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Object k1 = getKey();
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Object k2 = e.getKey();
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if (k1 == k2 || (k1 != null && k1.equals(k2))) {
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Object v1 = getValue();
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Object v2 = e.getValue();
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||
if (v1 == v2 || (v1 != null && v1.equals(v2)))
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return true;
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}
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return false;
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}
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public final int hashCode() {
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return Objects.hashCode(getKey()) ^ Objects.hashCode(getValue());
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}
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public final String toString() {
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return getKey() + "=" + getValue();
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}
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}
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```
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||
### 2. 拉链法的工作原理
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```java
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HashMap<String, String> map = new HashMap<>();
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map.put("K1", "V1");
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map.put("K2", "V2");
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map.put("K3", "V3");
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```
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||
- 新建一个 HashMap，默认大小为 16；
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||
- 插入 <K1,V1> 键值对，先计算 K1 的 hashCode 为 115，使用除留余数法得到所在的桶下标 115%16=3。
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||
- 插入 <K2,V2> 键值对，先计算 K2 的 hashCode 为 118，使用除留余数法得到所在的桶下标 118%16=6。
|
||
- 插入 <K3,V3> 键值对，先计算 K3 的 hashCode 为 118，使用除留余数法得到所在的桶下标 118%16=6，插在 <K2,V2> 前面。
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||
应该注意到链表的插入是以头插法方式进行的，例如上面的 <K3,V3> 不是插在 <K2,V2> 后面，而是插入在链表头部。
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查找需要分成两步进行：
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- 计算键值对所在的桶；
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||
- 在链表上顺序查找，时间复杂度显然和链表的长度成正比。
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||
<div align="center"> <img src="https://cs-notes-1256109796.cos.ap-guangzhou.myqcloud.com/image-20191208235258643.png"/> </div><br>
|
||
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||
### 3. put 操作
|
||
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||
```java
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||
public V put(K key, V value) {
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||
if (table == EMPTY_TABLE) {
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||
inflateTable(threshold);
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}
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||
// 键为 null 单独处理
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||
if (key == null)
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||
return putForNullKey(value);
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||
int hash = hash(key);
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||
// 确定桶下标
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||
int i = indexFor(hash, table.length);
|
||
// 先找出是否已经存在键为 key 的键值对，如果存在的话就更新这个键值对的值为 value
|
||
for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {
|
||
Object k;
|
||
if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {
|
||
V oldValue = e.value;
|
||
e.value = value;
|
||
e.recordAccess(this);
|
||
return oldValue;
|
||
}
|
||
}
|
||
|
||
modCount++;
|
||
// 插入新键值对
|
||
addEntry(hash, key, value, i);
|
||
return null;
|
||
}
|
||
```
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||
|
||
HashMap 允许插入键为 null 的键值对。但是因为无法调用 null 的 hashCode() 方法，也就无法确定该键值对的桶下标，只能通过强制指定一个桶下标来存放。HashMap 使用第 0 个桶存放键为 null 的键值对。
|
||
|
||
```java
|
||
private V putForNullKey(V value) {
|
||
for (Entry<K,V> e = table[0]; e != null; e = e.next) {
|
||
if (e.key == null) {
|
||
V oldValue = e.value;
|
||
e.value = value;
|
||
e.recordAccess(this);
|
||
return oldValue;
|
||
}
|
||
}
|
||
modCount++;
|
||
addEntry(0, null, value, 0);
|
||
return null;
|
||
}
|
||
```
|
||
|
||
使用链表的头插法，也就是新的键值对插在链表的头部，而不是链表的尾部。
|
||
|
||
```java
|
||
void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
|
||
if ((size >= threshold) && (null != table[bucketIndex])) {
|
||
resize(2 * table.length);
|
||
hash = (null != key) ? hash(key) : 0;
|
||
bucketIndex = indexFor(hash, table.length);
|
||
}
|
||
|
||
createEntry(hash, key, value, bucketIndex);
|
||
}
|
||
|
||
void createEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
|
||
Entry<K,V> e = table[bucketIndex];
|
||
// 头插法，链表头部指向新的键值对
|
||
table[bucketIndex] = new Entry<>(hash, key, value, e);
|
||
size++;
|
||
}
|
||
```
|
||
|
||
```java
|
||
Entry(int h, K k, V v, Entry<K,V> n) {
|
||
value = v;
|
||
next = n;
|
||
key = k;
|
||
hash = h;
|
||
}
|
||
```
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||
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||
### 4. 确定桶下标
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||
很多操作都需要先确定一个键值对所在的桶下标。
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```java
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||
int hash = hash(key);
|
||
int i = indexFor(hash, table.length);
|
||
```
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||
**4.1 计算 hash 值**
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||
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||
```java
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||
final int hash(Object k) {
|
||
int h = hashSeed;
|
||
if (0 != h && k instanceof String) {
|
||
return sun.misc.Hashing.stringHash32((String) k);
|
||
}
|
||
|
||
h ^= k.hashCode();
|
||
|
||
// This function ensures that hashCodes that differ only by
|
||
// constant multiples at each bit position have a bounded
|
||
// number of collisions (approximately 8 at default load factor).
|
||
h ^= (h >>> 20) ^ (h >>> 12);
|
||
return h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4);
|
||
}
|
||
```
|
||
|
||
```java
|
||
public final int hashCode() {
|
||
return Objects.hashCode(key) ^ Objects.hashCode(value);
|
||
}
|
||
```
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||
|
||
**4.2 取模**
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||
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||
令 x = 1<<4，即 x 为 2 的 4 次方，它具有以下性质：
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```
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||
x : 00010000
|
||
x-1 : 00001111
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||
```
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||
令一个数 y 与 x-1 做与运算，可以去除 y 位级表示的第 4 位以上数：
|
||
|
||
```
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||
y : 10110010
|
||
x-1 : 00001111
|
||
y&(x-1) : 00000010
|
||
```
|
||
|
||
这个性质和 y 对 x 取模效果是一样的：
|
||
|
||
```
|
||
y : 10110010
|
||
x : 00010000
|
||
y%x : 00000010
|
||
```
|
||
|
||
我们知道，位运算的代价比求模运算小的多，因此在进行这种计算时用位运算的话能带来更高的性能。
|
||
|
||
确定桶下标的最后一步是将 key 的 hash 值对桶个数取模：hash%capacity，如果能保证 capacity 为 2 的 n 次方，那么就可以将这个操作转换为位运算。
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||
```java
|
||
static int indexFor(int h, int length) {
|
||
return h & (length-1);
|
||
}
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||
```
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||
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||
### 5. 扩容-基本原理
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||
设 HashMap 的 table 长度为 M，需要存储的键值对数量为 N，如果哈希函数满足均匀性的要求，那么每条链表的长度大约为 N/M，因此查找的复杂度为 O(N/M)。
|
||
|
||
为了让查找的成本降低，应该使 N/M 尽可能小，因此需要保证 M 尽可能大，也就是说 table 要尽可能大。HashMap 采用动态扩容来根据当前的 N 值来调整 M 值，使得空间效率和时间效率都能得到保证。
|
||
|
||
和扩容相关的参数主要有：capacity、size、threshold 和 load_factor。
|
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||
| 参数 | 含义 |
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||
| :--: | :-- |
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||
| capacity | table 的容量大小，默认为 16。需要注意的是 capacity 必须保证为 2 的 n 次方。|
|
||
| size | 键值对数量。 |
|
||
| threshold | size 的临界值，当 size 大于等于 threshold 就必须进行扩容操作。 |
|
||
| loadFactor | 装载因子，table 能够使用的比例，threshold = (int)(capacity* loadFactor)。 |
|
||
|
||
```java
|
||
static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 16;
|
||
|
||
static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;
|
||
|
||
static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;
|
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|
||
transient Entry[] table;
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||
|
||
transient int size;
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||
|
||
int threshold;
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|
||
final float loadFactor;
|
||
|
||
transient int modCount;
|
||
```
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||
|
||
从下面的添加元素代码中可以看出，当需要扩容时，令 capacity 为原来的两倍。
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||
|
||
```java
|
||
void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
|
||
Entry<K,V> e = table[bucketIndex];
|
||
table[bucketIndex] = new Entry<>(hash, key, value, e);
|
||
if (size++ >= threshold)
|
||
resize(2 * table.length);
|
||
}
|
||
```
|
||
|
||
扩容使用 resize() 实现，需要注意的是，扩容操作同样需要把 oldTable 的所有键值对重新插入 newTable 中，因此这一步是很费时的。
|
||
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||
```java
|
||
void resize(int newCapacity) {
|
||
Entry[] oldTable = table;
|
||
int oldCapacity = oldTable.length;
|
||
if (oldCapacity == MAXIMUM_CAPACITY) {
|
||
threshold = Integer.MAX_VALUE;
|
||
return;
|
||
}
|
||
Entry[] newTable = new Entry[newCapacity];
|
||
transfer(newTable);
|
||
table = newTable;
|
||
threshold = (int)(newCapacity * loadFactor);
|
||
}
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||
|
||
void transfer(Entry[] newTable) {
|
||
Entry[] src = table;
|
||
int newCapacity = newTable.length;
|
||
for (int j = 0; j < src.length; j++) {
|
||
Entry<K,V> e = src[j];
|
||
if (e != null) {
|
||
src[j] = null;
|
||
do {
|
||
Entry<K,V> next = e.next;
|
||
int i = indexFor(e.hash, newCapacity);
|
||
e.next = newTable[i];
|
||
newTable[i] = e;
|
||
e = next;
|
||
} while (e != null);
|
||
}
|
||
}
|
||
}
|
||
```
|
||
|
||
### 6. 扩容-重新计算桶下标
|
||
|
||
在进行扩容时，需要把键值对重新计算桶下标，从而放到对应的桶上。在前面提到，HashMap 使用 hash%capacity 来确定桶下标。HashMap capacity 为 2 的 n 次方这一特点能够极大降低重新计算桶下标操作的复杂度。
|
||
|
||
假设原数组长度 capacity 为 16，扩容之后 new capacity 为 32：
|
||
|
||
```html
|
||
capacity : 00010000
|
||
new capacity : 00100000
|
||
```
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||
|
||
对于一个 Key，它的哈希值 hash 在第 5 位：
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||
|
||
- 为 0，那么 hash%00010000 = hash%00100000，桶位置和原来一致；
|
||
- 为 1，hash%00010000 = hash%00100000 + 16，桶位置是原位置 + 16。
|
||
|
||
### 7. 计算数组容量
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||
HashMap 构造函数允许用户传入的容量不是 2 的 n 次方，因为它可以自动地将传入的容量转换为 2 的 n 次方。
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||
先考虑如何求一个数的掩码，对于 10010000，它的掩码为 11111111，可以使用以下方法得到：
|
||
|
||
```
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||
mask |= mask >> 1 11011000
|
||
mask |= mask >> 2 11111110
|
||
mask |= mask >> 4 11111111
|
||
```
|
||
|
||
mask+1 是大于原始数字的最小的 2 的 n 次方。
|
||
|
||
```
|
||
num 10010000
|
||
mask+1 100000000
|
||
```
|
||
|
||
以下是 HashMap 中计算数组容量的代码：
|
||
|
||
```java
|
||
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;
|
||
}
|
||
```
|
||
|
||
### 8. 链表转红黑树
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||
|
||
从 JDK 1.8 开始，一个桶存储的链表长度大于等于 8 时会将链表转换为红黑树。
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||
### 9. 与 Hashtable 的比较
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||
- Hashtable 使用 synchronized 来进行同步。
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||
- HashMap 可以插入键为 null 的 Entry。
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||
- HashMap 的迭代器是 fail-fast 迭代器。
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||
- HashMap 不能保证随着时间的推移 Map 中的元素次序是不变的。
|
||
|
||
## ConcurrentHashMap
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|
||
### 1. 存储结构
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||
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||
<div align="center"> <img src="https://cs-notes-1256109796.cos.ap-guangzhou.myqcloud.com/image-20191209001038024.png"/> </div><br>
|
||
|
||
```java
|
||
static final class HashEntry<K,V> {
|
||
final int hash;
|
||
final K key;
|
||
volatile V value;
|
||
volatile HashEntry<K,V> next;
|
||
}
|
||
```
|
||
|
||
ConcurrentHashMap 和 HashMap 实现上类似，最主要的差别是 ConcurrentHashMap 采用了分段锁（Segment），每个分段锁维护着几个桶（HashEntry），多个线程可以同时访问不同分段锁上的桶，从而使其并发度更高（并发度就是 Segment 的个数）。
|
||
|
||
Segment 继承自 ReentrantLock。
|
||
|
||
```java
|
||
static final class Segment<K,V> extends ReentrantLock implements Serializable {
|
||
|
||
private static final long serialVersionUID = 2249069246763182397L;
|
||
|
||
static final int MAX_SCAN_RETRIES =
|
||
Runtime.getRuntime().availableProcessors() > 1 ? 64 : 1;
|
||
|
||
transient volatile HashEntry<K,V>[] table;
|
||
|
||
transient int count;
|
||
|
||
transient int modCount;
|
||
|
||
transient int threshold;
|
||
|
||
final float loadFactor;
|
||
}
|
||
```
|
||
|
||
```java
|
||
final Segment<K,V>[] segments;
|
||
```
|
||
|
||
默认的并发级别为 16，也就是说默认创建 16 个 Segment。
|
||
|
||
```java
|
||
static final int DEFAULT_CONCURRENCY_LEVEL = 16;
|
||
```
|
||
|
||
### 2. size 操作
|
||
|
||
每个 Segment 维护了一个 count 变量来统计该 Segment 中的键值对个数。
|
||
|
||
```java
|
||
/**
|
||
* The number of elements. Accessed only either within locks
|
||
* or among other volatile reads that maintain visibility.
|
||
*/
|
||
transient int count;
|
||
```
|
||
|
||
在执行 size 操作时，需要遍历所有 Segment 然后把 count 累计起来。
|
||
|
||
ConcurrentHashMap 在执行 size 操作时先尝试不加锁，如果连续两次不加锁操作得到的结果一致，那么可以认为这个结果是正确的。
|
||
|
||
尝试次数使用 RETRIES_BEFORE_LOCK 定义，该值为 2，retries 初始值为 -1，因此尝试次数为 3。
|
||
|
||
如果尝试的次数超过 3 次，就需要对每个 Segment 加锁。
|
||
|
||
```java
|
||
|
||
/**
|
||
* Number of unsynchronized retries in size and containsValue
|
||
* methods before resorting to locking. This is used to avoid
|
||
* unbounded retries if tables undergo continuous modification
|
||
* which would make it impossible to obtain an accurate result.
|
||
*/
|
||
static final int RETRIES_BEFORE_LOCK = 2;
|
||
|
||
public int size() {
|
||
// Try a few times to get accurate count. On failure due to
|
||
// continuous async changes in table, resort to locking.
|
||
final Segment<K,V>[] segments = this.segments;
|
||
int size;
|
||
boolean overflow; // true if size overflows 32 bits
|
||
long sum; // sum of modCounts
|
||
long last = 0L; // previous sum
|
||
int retries = -1; // first iteration isn't retry
|
||
try {
|
||
for (;;) {
|
||
// 超过尝试次数，则对每个 Segment 加锁
|
||
if (retries++ == RETRIES_BEFORE_LOCK) {
|
||
for (int j = 0; j < segments.length; ++j)
|
||
ensureSegment(j).lock(); // force creation
|
||
}
|
||
sum = 0L;
|
||
size = 0;
|
||
overflow = false;
|
||
for (int j = 0; j < segments.length; ++j) {
|
||
Segment<K,V> seg = segmentAt(segments, j);
|
||
if (seg != null) {
|
||
sum += seg.modCount;
|
||
int c = seg.count;
|
||
if (c < 0 || (size += c) < 0)
|
||
overflow = true;
|
||
}
|
||
}
|
||
// 连续两次得到的结果一致，则认为这个结果是正确的
|
||
if (sum == last)
|
||
break;
|
||
last = sum;
|
||
}
|
||
} finally {
|
||
if (retries > RETRIES_BEFORE_LOCK) {
|
||
for (int j = 0; j < segments.length; ++j)
|
||
segmentAt(segments, j).unlock();
|
||
}
|
||
}
|
||
return overflow ? Integer.MAX_VALUE : size;
|
||
}
|
||
```
|
||
|
||
### 3. JDK 1.8 的改动
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||
|
||
JDK 1.7 使用分段锁机制来实现并发更新操作，核心类为 Segment，它继承自重入锁 ReentrantLock，并发度与 Segment 数量相等。
|
||
|
||
JDK 1.8 使用了 CAS 操作来支持更高的并发度，在 CAS 操作失败时使用内置锁 synchronized。
|
||
|
||
并且 JDK 1.8 的实现也在链表过长时会转换为红黑树。
|
||
|
||
## LinkedHashMap
|
||
|
||
### 存储结构
|
||
|
||
继承自 HashMap，因此具有和 HashMap 一样的快速查找特性。
|
||
|
||
```java
|
||
public class LinkedHashMap<K,V> extends HashMap<K,V> implements Map<K,V>
|
||
```
|
||
|
||
内部维护了一个双向链表，用来维护插入顺序或者 LRU 顺序。
|
||
|
||
```java
|
||
/**
|
||
* The head (eldest) of the doubly linked list.
|
||
*/
|
||
transient LinkedHashMap.Entry<K,V> head;
|
||
|
||
/**
|
||
* The tail (youngest) of the doubly linked list.
|
||
*/
|
||
transient LinkedHashMap.Entry<K,V> tail;
|
||
```
|
||
|
||
accessOrder 决定了顺序，默认为 false，此时维护的是插入顺序。
|
||
|
||
```java
|
||
final boolean accessOrder;
|
||
```
|
||
|
||
LinkedHashMap 最重要的是以下用于维护顺序的函数，它们会在 put、get 等方法中调用。
|
||
|
||
```java
|
||
void afterNodeAccess(Node<K,V> p) { }
|
||
void afterNodeInsertion(boolean evict) { }
|
||
```
|
||
|
||
### afterNodeAccess()
|
||
|
||
当一个节点被访问时，如果 accessOrder 为 true，则会将该节点移到链表尾部。也就是说指定为 LRU 顺序之后，在每次访问一个节点时，会将这个节点移到链表尾部，保证链表尾部是最近访问的节点，那么链表首部就是最近最久未使用的节点。
|
||
|
||
```java
|
||
void afterNodeAccess(Node<K,V> e) { // move node to last
|
||
LinkedHashMap.Entry<K,V> last;
|
||
if (accessOrder && (last = tail) != e) {
|
||
LinkedHashMap.Entry<K,V> p =
|
||
(LinkedHashMap.Entry<K,V>)e, b = p.before, a = p.after;
|
||
p.after = null;
|
||
if (b == null)
|
||
head = a;
|
||
else
|
||
b.after = a;
|
||
if (a != null)
|
||
a.before = b;
|
||
else
|
||
last = b;
|
||
if (last == null)
|
||
head = p;
|
||
else {
|
||
p.before = last;
|
||
last.after = p;
|
||
}
|
||
tail = p;
|
||
++modCount;
|
||
}
|
||
}
|
||
```
|
||
|
||
### afterNodeInsertion()
|
||
|
||
在 put 等操作之后执行，当 removeEldestEntry() 方法返回 true 时会移除最晚的节点，也就是链表首部节点 first。
|
||
|
||
evict 只有在构建 Map 的时候才为 false，在这里为 true。
|
||
|
||
```java
|
||
void afterNodeInsertion(boolean evict) { // possibly remove eldest
|
||
LinkedHashMap.Entry<K,V> first;
|
||
if (evict && (first = head) != null && removeEldestEntry(first)) {
|
||
K key = first.key;
|
||
removeNode(hash(key), key, null, false, true);
|
||
}
|
||
}
|
||
```
|
||
|
||
removeEldestEntry() 默认为 false，如果需要让它为 true，需要继承 LinkedHashMap 并且覆盖这个方法的实现，这在实现 LRU 的缓存中特别有用，通过移除最近最久未使用的节点，从而保证缓存空间足够，并且缓存的数据都是热点数据。
|
||
|
||
```java
|
||
protected boolean removeEldestEntry(Map.Entry<K,V> eldest) {
|
||
return false;
|
||
}
|
||
```
|
||
|
||
### LRU 缓存
|
||
|
||
以下是使用 LinkedHashMap 实现的一个 LRU 缓存：
|
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|
||
- 设定最大缓存空间 MAX_ENTRIES 为 3；
|
||
- 使用 LinkedHashMap 的构造函数将 accessOrder 设置为 true，开启 LRU 顺序；
|
||
- 覆盖 removeEldestEntry() 方法实现，在节点多于 MAX_ENTRIES 就会将最近最久未使用的数据移除。
|
||
|
||
```java
|
||
class LRUCache<K, V> extends LinkedHashMap<K, V> {
|
||
private static final int MAX_ENTRIES = 3;
|
||
|
||
protected boolean removeEldestEntry(Map.Entry eldest) {
|
||
return size() > MAX_ENTRIES;
|
||
}
|
||
|
||
LRUCache() {
|
||
super(MAX_ENTRIES, 0.75f, true);
|
||
}
|
||
}
|
||
```
|
||
|
||
```java
|
||
public static void main(String[] args) {
|
||
LRUCache<Integer, String> cache = new LRUCache<>();
|
||
cache.put(1, "a");
|
||
cache.put(2, "b");
|
||
cache.put(3, "c");
|
||
cache.get(1);
|
||
cache.put(4, "d");
|
||
System.out.println(cache.keySet());
|
||
}
|
||
```
|
||
|
||
```html
|
||
[3, 1, 4]
|
||
```
|
||
|
||
## WeakHashMap
|
||
|
||
### 存储结构
|
||
|
||
WeakHashMap 的 Entry 继承自 WeakReference，被 WeakReference 关联的对象在下一次垃圾回收时会被回收。
|
||
|
||
WeakHashMap 主要用来实现缓存，通过使用 WeakHashMap 来引用缓存对象，由 JVM 对这部分缓存进行回收。
|
||
|
||
```java
|
||
private static class Entry<K,V> extends WeakReference<Object> implements Map.Entry<K,V>
|
||
```
|
||
|
||
### ConcurrentCache
|
||
|
||
Tomcat 中的 ConcurrentCache 使用了 WeakHashMap 来实现缓存功能。
|
||
|
||
ConcurrentCache 采取的是分代缓存：
|
||
|
||
- 经常使用的对象放入 eden 中，eden 使用 ConcurrentHashMap 实现，不用担心会被回收（伊甸园）；
|
||
- 不常用的对象放入 longterm，longterm 使用 WeakHashMap 实现，这些老对象会被垃圾收集器回收。
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- 当调用 get() 方法时，会先从 eden 区获取，如果没有找到的话再到 longterm 获取，当从 longterm 获取到就把对象放入 eden 中，从而保证经常被访问的节点不容易被回收。
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- 当调用 put() 方法时，如果 eden 的大小超过了 size，那么就将 eden 中的所有对象都放入 longterm 中，利用虚拟机回收掉一部分不经常使用的对象。
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```java
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public final class ConcurrentCache<K, V> {
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private final int size;
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private final Map<K, V> eden;
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private final Map<K, V> longterm;
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public ConcurrentCache(int size) {
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this.size = size;
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this.eden = new ConcurrentHashMap<>(size);
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this.longterm = new WeakHashMap<>(size);
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}
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public V get(K k) {
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V v = this.eden.get(k);
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if (v == null) {
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v = this.longterm.get(k);
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if (v != null)
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this.eden.put(k, v);
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}
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return v;
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}
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public void put(K k, V v) {
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if (this.eden.size() >= size) {
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this.longterm.putAll(this.eden);
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this.eden.clear();
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}
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this.eden.put(k, v);
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}
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}
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```
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# 参考资料
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- Eckel B. Java 编程思想 [M]. 机械工业出版社, 2002.
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- [Java Collection Framework](https://www.w3resource.com/java-tutorial/java-collections.php)
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- [Iterator 模式](https://openhome.cc/Gossip/DesignPattern/IteratorPattern.htm)
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||
- [Java 8 系列之重新认识 HashMap](https://tech.meituan.com/java_hashmap.html)
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- [What is difference between HashMap and Hashtable in Java?](http://javarevisited.blogspot.hk/2010/10/difference-between-hashmap-and.html)
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- [Java 集合之 HashMap](http://www.zhangchangle.com/2018/02/07/Java%E9%9B%86%E5%90%88%E4%B9%8BHashMap/)
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- [The principle of ConcurrentHashMap analysis](http://www.programering.com/a/MDO3QDNwATM.html)
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||
- [探索 ConcurrentHashMap 高并发性的实现机制](https://www.ibm.com/developerworks/cn/java/java-lo-concurrenthashmap/)
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- [HashMap 相关面试题及其解答](https://www.jianshu.com/p/75adf47958a7)
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- [Java 集合细节（二）：asList 的缺陷](http://wiki.jikexueyuan.com/project/java-enhancement/java-thirtysix.html)
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- [Java Collection Framework – The LinkedList Class](http://javaconceptoftheday.com/java-collection-framework-linkedlist-class/)
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