JDK源码解析集合篇--综述

Java集合工具包位于Java.util包下，包含了很多常用的数据结构，如数组、链表、栈、队列、集合、哈希表等。学习Java集合框架下大致可以分为如下五个部分：List列表、Set集合、Map映射、迭代器（Iterator、Enumeration）、工具类（Arrays、Collections）。在JDK1.5后，util包下加入了concurrent包，更加完善了集合框架对于并发多线程情况下的处理。

从上图可以看到，标蓝色的是对应接口的抽象类，它是缺省适配器设计模式的实现，提供了默认或一些共同操作，使得继承了接口的实现类不用实现接口全部的方法。这在前面的设计模式博文中提到过，设计模式–适配器模式(JDK中的应用)。
集合类主要分为两大类：Collection和Map。在这里没有把并发集合类放到一起来讨论，并发集合类在后边再进行讨论。上图中，我们可以看到set集合与map集合的依赖关系，Set接口通常表示一个集合，其中的元素不允许重复（通过hashcode和equals函数保证），常用实现类有HashSet和TreeSet，HashSet是通过Map中的HashMap实现的，而TreeSet是通过Map中的TreeMap实现的。另外，TreeSet还实现了SortedSet接口，因此是有序的集合（集合中的元素要实现Comparable接口，并覆写Compartor函数才行）。
注意：在上边的Vector，Stack和Hashtable类是jdk1.0提供的集合类，都是利用synchronized实现的线程安全的，图中其他类是线程不安全的，但效率较低，后来被ArrayList、LinkedList，HashMap替代了，这可用于没有线程安全的情景下，当需要保证线程安全时，Collections中有很多静态方法可以返回各集合类的synchronized版本，即线程安全的版本，如果要用线程安全的结合类，首选Concurrent并发包下的对应的集合类（并发包做了很多锁优化）。
集合框架用来存储一系列对象，当jdk1.5没有出现泛型之前，集合可以存储的对象类型都默认为Object类型，在取出时需要进行强制转换到相应的对象类型。数组的长度在编译期就确定且无法改变，集合框架最主要的特性就是长度可变的。

Enumeration和Iterator

Iterator是遍历集合的迭代器（不能遍历Map，只用来遍历Collection），Collection的实现类都实现了iterator()函数，它返回一个Iterator对象，用来遍历集合，ListIterator则专门用来遍历List。而Enumeration则是JDK1.0时引入的，作用与Iterator相同，但它的功能比Iterator要少，它只能再Hashtable、Vector和Stack中使用。
Enumeration的速度是Iterator的两倍，也使用更少的内存。Enumeration是非常基础的，也满足了基础的需要。但是，与Enumeration相比，Iterator更加安全，因为当一个集合正在被遍历的时候，它会阻止其它线程去修改集合。Iterator在集合框架中实现的是快速失败fail-fast机制，当在遍历时候，集合结构被改变时，会抛出ConcurrentModificationException。例如：假设存在两个线程（线程1、线程2），线程1通过Iterator在遍历集合A中的元素，在某个时候线程2修改了集合A的结构（是结构上面的修改，而不是简单的修改集合元素的内容），那么这个时候程序就会抛出 ConcurrentModificationException 异常，从而产生fail-fast机制。
而对Java1.5并发包（java.util.concurrent）包含线程安全集合类，则允许在迭代时修改集合。
拿ArrayList的迭代器实现为例：

  public Iterator iterator() {
        return new Itr();
    }

    /**
     * An optimized version of AbstractList.Itr
     */
    private class Itr implements Iterator<E> {
        int cursor;       // index of next element to return
        int lastRet = -1; // index of last element returned; -1 if no such
        int expectedModCount = modCount;

        public boolean hasNext() {
            return cursor != size;
        }

        @SuppressWarnings("unchecked")
        public E next() {
        //首先要检查是否集合结构被其他线程改变
            checkForComodification();
            int i = cursor;
            if (i >= size)
                throw new NoSuchElementException();
            Object[] elementData = ArrayList.this.elementData;
            if (i >= elementData.length)
                throw new ConcurrentModificationException();
            cursor = i + 1;
            return (E) elementData[lastRet = i];
        }

        public void remove() {
            if (lastRet < 0)
                throw new IllegalStateException();
            //删除时，要检查集合结构是否被其他线程改变
            checkForComodification();

            try {
                ArrayList.this.remove(lastRet);
                cursor = lastRet;
                lastRet = -1;
                //使用迭代器删除元素，改变集合结构时，这一步将expectedModCount
                //重新赋值了，所以在后边的遍历调用next，remove方法是不会抛出异常的
                expectedModCount = modCount;
            } catch (IndexOutOfBoundsException ex) {
                throw new ConcurrentModificationException();
            }
        }

        @Override
        @SuppressWarnings("unchecked")
        public void forEachRemaining(Consumersuper E> consumer) {
            Objects.requireNonNull(consumer);
            final int size = ArrayList.this.size;
            int i = cursor;
            if (i >= size) {
                return;
            }
            final Object[] elementData = ArrayList.this.elementData;
            if (i >= elementData.length) {
                throw new ConcurrentModificationException();
            }
            while (i != size && modCount == expectedModCount) {
                consumer.accept((E) elementData[i++]);
            }
            // update once at end of iteration to reduce heap write traffic
            cursor = i;
            lastRet = i - 1;
            checkForComodification();
        }

        final void checkForComodification() {
        //modCount是ArrayList的属性，如果被其他线程改变其结构时，modCount会发生变化，
        //expectedModCount是在获得迭代器时的赋值的，在遍历中，被改变，则两者是不相等的，所以
        //会抛出ConcurrentModificationException
            if (modCount != expectedModCount)
                throw new ConcurrentModificationException();
        }
    }

迭代器取代了Java集合框架中的Enumeration。迭代器允许调用者从集合中移除元素（有remove方法），而Enumeration不能做到。为了使它的功能更加清晰，迭代器方法名已经经过改善。
这有一个点：
在遍历过程中，要想删除元素必须是调用迭代器的remove方法才不会抛出ConcurrentModificationException异常，看remove方法的实现就可以明白，调用迭代器的remove方法，会对expectedModCount重新赋值，而如果直接调用集合地remove方法，如ArrayList的remove方法改变ArrayList集合结构，也就相当于改变了modCount，与多线程改变集合结构的效果一样，所以会抛出ConcurrentModificationException异常。

Collection/Map

Collection包含了List、Set、Queue三大分支。Collection 继承了Iterable接口，Iterable此接口的目的：实现了这个接口的集合对象支持迭代，是可迭代的。而Iterator则是迭代器，它就是提供迭代机制的对象，具体如何迭代，都是Iterator接口规范的。
（1）List：1.代表有序、重复的集合。2.像一个数组，可以记住每次添加元素的顺序（要以对象的形式来理解），且长度是可变的。3.访问的时候根据元素的索引值来访问。
（2）Set：1.代表无序、不可重复的集合。2.就像一个罐子，但元素单独存在。访问元素只能根据元素本身来访问。3.元素不可以重复
（3）Queue：1.代表队列集合。2.直接对应数据结构的队列。3.LinkedList类实现了Queue接口，因此我们可以把LinkedList当成Queue来用。
（4）Map：1.是一个映射接口，即key-value键值对。Map中的每一个元素包含“一个key”和“key对应的value”。2.AbstractMap是个抽象类，它实现了Map接口中的大部分API。而HashMap，TreeMap，WeakHashMap都是继承于AbstractMap。3. Hashtable虽然继承于Dictionary，但它实现了Map接口。
由于集合类的长度都是可变的，所以在每个实现类，如何实现扩容都是重点内容。

可以看出：Collection是一个高度抽象出来的集合，包含了集合的基本操作：添加、删除、清空、遍历、是否为空、获取大小等。Collection接口的所有子类（直接子类和间接子类）都必须实现2种构造函数：不带参数的构造函数和参数为Collection的构造函数。带参数的构造函数可以用来转换Collection的类型。
抽象类：AbstractCollection，它实现了Collection中除了iterator()和size()之外的所有方法。AbstractCollection的主要作用是方便其他类实现Collection.，比如ArrayList、LinkedList等。它们想要实现Collection接口，通过集成AbstractCollection就已经实现大部分方法了，再实现一下iterator()和size()即可。
在接下来的学习中，会详细分析相应的实现类的实现。

集合类特点和应用场景总结：

List接口中，比较常用的类有三个：ArrayList、Vactor、LinkedList。
ArrayList ：线程不安全的，对元素的查询速度快。
Vector ：线程安全的，多了一种取出元素的方式：枚举（Enumeration），但已被ArrayList取代。
LinkedList ：链表结构，对元素的增删速度很快。
Set接口中，比较常用的类有两个：HashSet、TreeSet：
HashSet:要保证元素唯一性，需要覆盖掉Object中的equals和hashCode方法（因为底层是通过这两个方法来判断两个元素是否是同一个）。
TreeSet：以二叉树的结构对元素进行存储，可以对元素进行排序。
排序的两种方式：
1、元素自身具备比较功能，元素实现Comparable接口，覆盖compareTo方法。
2、建立一个比较器对象，该对象实现Comparator接口，覆盖compare方法，并将该对象作为参数传给TreeSet的构造函数（可以用匿名内部类）。
Map接口其特点是：元素是成对出现的，以键和值的形式体现出来，键要保证唯一性：常用类有：HashMap，Hashtable ，TreeMap。
HashMap：线程不安全等的，允许存放null键null值。
Hashtable：线程安全的，不允许存放null键null值。
TreeMap：可以对键进行排序（要实现排序方法同TreeSet）。
Collection和Map两个接口对元素操作的区别：
存入元素：
Collection接口下的实现类通过add方法来完成，而Map下是通过put方法来完成。
取出元素：
Collection接口下：List接口有两种方式：1、get(脚标)；2、通过Iterator迭代方式获取元素；而Vactor多了一种枚举（Enumeration）的方式。Set接口通过迭代的方式获取元素。
Map接口下：先通地keySet获取键的系列，然后通过该系列使用Iterator迭代方式获取元素值。