集合各实现类的底层实现原理
1、 ArrayList实现原理要点概括
1.1 ArrayList数据结构
ArrayList的数据结构如下：
说明：底层的数据结构就是数组，数组元素类型为Object类型，即可以存放所有类型数据。我们对ArrayList类的实例的所有的操作底层都是基于数组的。下面我们来分析通过数组是如何保证库函数的正确实现的。
1.2 ArrayList源码分析
1.2.1 类的继承关系
public class ArrayList<E> extends AbstractList<E> implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable
说明：ArrayList继承AbstractList抽象父类，实现了List接口（规定了List的操作规范）、RandomAccess（可随机访问）、Cloneable（可拷贝）、Serializable（可序列化）。
1.2.2 类的属性
public class ArrayList<E> extends AbstractList<E>
implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable
{
// 版本号
private static final long serialVersionUID = 8683452581122892189L;
// 缺省容量
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
// 空对象数组
private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};
// 缺省空对象数组
private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};
// 元素数组
transient Object[] elementData;
// 实际元素大小，默认为0
private int size;
// 最大数组容量
private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;
} 说明：类的属性中核心的属性为elementData，类型为Object[]，用于存放实际元素，并且被标记为transient，也就意味着在序列化的时候，此字段是不会被序列化的。
1.2.3 类的构造函数
1、ArrayList(int)型构造函数
public ArrayList(int initialCapacity) {
if (initialCapacity > 0) { // 初始容量大于0
this.elementData = new Object[initialCapacity]; // 初始化元素数组
} else if (initialCapacity == 0) { // 初始容量为0
this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA; // 为空对象数组
} else { // 初始容量小于0，抛出异常
throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+
initialCapacity);
}
} 说明：指定elementData数组的大小，不允许初始化大小小于0，否则抛出异常。
2、ArrayList()型构造函数
public ArrayList() {
// 无参构造函数，设置元素数组为空
this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
} 说明：当未指定初始化大小时，会给elementData赋值为空集合。
3、ArrayList(Collection<? extends E>)型构造函数
public ArrayList(Collection<? extends E> c) { // 集合参数构造函数
elementData = c.toArray(); // 转化为数组
if ((size = elementData.length) != 0) { // 参数为非空集合
if (elementData.getClass() != Object[].class) // 是否成功转化为Object类型数组
elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class); // 不为Object数组的话就进行复制
} else { // 集合大小为空，则设置元素数组为空
this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
}
} 说明：当传递的参数为集合类型时，会把集合类型转化为数组类型，并赋值给elementData。
1.2.4 核心函数分析
1. add函数
public boolean add(E e) { // 添加元素
ensureCapacityInternal(size + 1); // Increments modCount!!
elementData[size++] = e;
return true;
} 说明：在add函数我们发现还有其他的函数ensureCapacityInternal，此函数可以理解为确保elementData数组有合适的大小。ensureCapacityInternal的具体函数如下
private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) { // 判断元素数组是否为空数组
minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity); // 取较大值
}
ensureExplicitCapacity(minCapacity);
} 说明：在ensureCapacityInternal函数中我们又发现了ensureExplicitCapacity函数，这个函数也是为了确保elemenData数组有合适的大小。ensureExplicitCapacity的具体函数如下
private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
// 结构性修改加1
modCount++;
if (minCapacity - elementData.length > 0)
grow(minCapacity);
} 说明：在ensureExplicitCapacity函数我们又发现了grow函数，grow函数才会对数组进行扩容，ensureCapacityInternal、ensureExplicitCapacity都只是过程，最后完成实际扩容操作还是得看grow函数，grow函数的具体函数如下
private void grow(int minCapacity) {
int oldCapacity = elementData.length; // 旧容量
int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1); // 新容量为旧容量的1.5倍
if (newCapacity - minCapacity < 0) // 新容量小于参数指定容量，修改新容量
newCapacity = minCapacity;
if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0) // 新容量大于最大容量
newCapacity = hugeCapacity(minCapacity); // 指定新容量
// 拷贝扩容
elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
} 说明：正常情况下会扩容1.5倍，特殊情况下（新扩展数组大小已经达到了最大值）则只取最大值。
当我们调用add方法时，实际上的函数调用如下
说明：程序调用add，实际上还会进行一系列调用，可能会调用到grow，grow可能会调用hugeCapacity。
下面通过两种方式给出调用add的例子，并分析最后的elementData数组的大小。
- 示例一（只给出了会影响到最终结果的核心代码）
List<Integer> lists = new ArrayList<Integer>(); lists.add(8);
说明：初始化lists大小为0，调用的ArrayList()型构造函数，那么在调用lists.add(8)方法时，会经过怎样的步骤呢？下图给出了该程序执行过程和最初与最后的elementData的大小
说明：我们可以看到，在add方法之前开始elementData = {}；调用add方法时会继续调用，直至grow，最后elementData的大小变为10，之后再返回到add函数，把8放在elementData[0]中。 - 示例二核心代码如下
List<Integer> lists = new ArrayList<Integer>(6); lists.add(8);
说明：调用的ArrayList(int)型构造函数，那么elementData被初始化为大小为6的Object数组，在调用add(8)方法时，具体的步骤如下：
说明：我们可以知道，在调用add方法之前，elementData的大小已经为6，之后再进行传递，不会进行扩容处理。
2. set函数
public E set(int index, E element) {
// 检验索引是否合法
rangeCheck(index);
// 旧值
E oldValue = elementData(index);
// 赋新值
elementData[index] = element;
// 返回旧值
return oldValue;
} 说明：设定指定下标索引的元素值。
3. indexOf函数
// 从首开始查找数组里面是否存在指定元素
public int indexOf(Object o) {
if (o == null) { // 查找的元素为空
for (int i = 0; i < size; i++) // 遍历数组，找到第一个为空的元素，返回下标
if (elementData[i]==null)
return i;
} else { // 查找的元素不为空
for (int i = 0; i < size; i++) // 遍历数组，找到第一个和指定元素相等的元素，返回下标
if (o.equals(elementData[i]))
return i;
}
// 没有找到，返回空
return -1;
} 说明：从头开始查找与指定元素相等的元素，注意，是可以查找null元素的，意味着ArrayList中可以存放null元素的。与此函数对应的lastIndexOf，表示从尾部开始查找。
4. get函数
public E get(int index) {
// 检验索引是否合法
rangeCheck(index);
return elementData(index);
} 说明：get函数会检查索引值是否合法（只检查是否大于size，而没有检查是否小于0），值得注意的是，在get函数中存在element函数，element函数用于返回具体的元素，具体函数如下
E elementData(int index) {
return (E) elementData[index];
} 说明：返回的值都经过了向下转型（Object -> E），这些是对我们应用程序屏蔽的小细节。
5. remove函数
public E remove(int index) {
// 检查索引是否合法
rangeCheck(index);
modCount++;
E oldValue = elementData(index);
// 需要移动的元素的个数
int numMoved = size - index - 1;
if (numMoved > 0)
System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,
numMoved);
// 赋值为空，有利于进行GC
elementData[--size] = null;
// 返回旧值
return oldValue;
} 说明：remove函数用户移除指定下标的元素，此时会把指定下标到数组末尾的元素向前移动一个单位，并且会把数组最后一个元素设置为null，这样是为了方便之后将整个数组不被使用时，会被GC，可以作为小的技巧使用。
1.3 总结
ArrayList有其特殊的应用场景，与LinkedList相对应。其优点是随机读取，缺点是插入元素时需要移动大量元素，效率不太高。至此，ArrayList的源码分析就到这里，总体来说，ArrayList的底层还是很简单的，
2、LinkedList实现原理要点概括
参考文献：
1.http://www.cnblogs.com/ITtangtang/p/3948610.htmll
2.https://www.cnblogs.com/leesf456/p/5308843.html
LinkedList是List接口的双向链表非同步实现，并允许包括null在内的所有元素。
底层的数据结构是基于双向链表的，该数据结构我们称为节点。
双向链表节点对应的类Node的实例，Node中包含成员变量：prev，next，item。其中，prev是该节点的上一个节点，next是该节点的下一个节点，item是该节点所包含的值。
它的查找是分两半查找，先判断index是在链表的哪一半，然后再去对应区域查找，这样最多只要遍历链表的一半节点即可找到。
3、HashMap实现原理要点概括
参考文献：http://zhangshixi.iteye.com/blog/672697
参考文献：http://blog.csdn.net/lizhongkaide/article/details/50595719HashMap是基于哈希表的Map接口的非同步实现，允许使用null值和null键，但不保证映射的顺序。
底层使用数组实现，数组中每一项是个单向链表，即数组和链表的结合体；当链表长度大于一定阈值时，链表转换为红黑树，这样减少链表查询时间。
HashMap在底层将key-value当成一个整体进行处理，这个整体就是一个Node对象。HashMap底层采用一个Node[]数组来保存所有的key-value对，当需要存储一个Node对象时，会根据key的hash算法来决定其在数组中的存储位置，在根据equals方法决定其在该数组位置上的链表中的存储位置；当需要取出一个Node时，也会根据key的hash算法找到其在数组中的存储位置，再根据equals方法从该位置上的链表中取出该Node。
HashMap进行数组扩容需要重新计算扩容后每个元素在数组中的位置，很耗性能。
采用了Fail-Fast机制，通过一个modCount值记录修改次数，对HashMap内容的修改都将增加这个值。迭代器初始化过程中会将这个值赋给迭代器的expectedModCount，在迭代过程中，判断modCount跟expectedModCount是否相等，如果不相等就表示已经有其他线程修改了Map，马上抛出异常。
4、Hashtable实现原理要点概括
参考文献：http://blog.csdn.net/zheng0518/article/details/42199477
Hashtable是基于哈希表的Map接口的同步实现，不允许使用null值和null键。
底层使用数组实现，数组中每一项是个单链表，即数组和链表的结合体 Hashtable在底层将key-value当成一个整体进行处理，这个整体就是一个Entry对象。
Hashtable底层采用一个Entry[]数组来保存所有的key-value对，当需要存储一个Entry对象时，会根据key的hash算法来决定其在数组中的存储位置，在根据equals方法决定其在该数组位置上的链表中的存储位置；当需要取出一个Entry时，也会根据key的hash算法找到其在数组中的存储位置，再根据equals方法从该位置上的链表中取出该Entry。
synchronized是针对整张Hash表的，即每次锁住整张表让线程独占。
5、ConcurrentHashMap实现原理要点概括
参考文献：http://blog.csdn.net/zheng0518/article/details/42199477
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。
它使用了多个锁来控制对hash表的不同段进行的修改，每个段其实就是一个小的hashtable，它们有自己的锁。只要多个并发发生在不同的段上，它们就可以并发进行。
ConcurrentHashMap在底层将key-value当成一个整体进行处理，这个整体就是一个Entry对象。Hashtable底层采用一个Entry[]数组来保存所有的key-value对，当需要存储一个Entry对象时，会根据key的hash算法来决定其在数组中的存储位置，在根据equals方法决定其在该数组位置上的链表中的存储位置；当需要取出一个Entry时，也会根据key的hash算法找到其在数组中的存储位置，再根据equals方法从该位置上的链表中取出该Entry。
与HashMap不同的是，ConcurrentHashMap使用多个子Hash表，也就是段(Segment)。
ConcurrentHashMap完全允许多个读操作并发进行，读操作并不需要加锁。如果使用传统的技术，如HashMap中的实现，如果允许可以在hash链的中间添加或删除元素，读操作不加锁将得到不一致的数据。ConcurrentHashMap实现技术是保证HashEntry几乎是不可变的。
6、HashSet实现原理要点概括
HashSet由哈希表(实际上是一个HashMap实例)支持，不保证set的迭代顺序，并允许使用null元素。
基于HashMap实现，API也是对HashMap的行为进行了封装，可参考HashMap。
7、LinkedHashMap实现原理要点概括
LinkedHashMap继承于HashMap，底层使用哈希表和双向链表来保存所有元素，并且它是非同步，允许使用null值和null键。
基本操作与父类HashMap相似，通过重写HashMap相关方法，重新定义了数组中保存的元素Entry，来实现自己的链接列表特性。该Entry除了保存当前对象的引用外，还保存了其上一个元素before和下一个元素after的引用，从而构成了双向链接列表。
8、LinkedHashSet实现原理要点概括
对于LinkedHashSet而言，它继承与HashSet、又基于LinkedHashMap来实现的。LinkedHashSet底层使用LinkedHashMap来保存所有元素，它继承与HashSet，其所有的方法操作上又与HashSet相同。
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