这篇文章将为大家详细讲解有关Java中集合的底层实现原理是什么，文章内容质量较高，因此小编分享给大家做个参考，希望大家阅读完这篇文章后对相关知识有一定的了解。
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Java集合类实现原理
1.Iterable接口
iterator()
forEach() 对1.8的Lambda表达式提供了支持
2. Collection接口
int size();
boolean isEmpty();
boolean contains();
boolean add()
boolean addAll()
boolean remove()
removeAll()
Object[] toArray()
3.List接口
E get()
E set()
E indexOf()
int lastIndexOf()
ListIterator listIterator()
3.1 ArrayList类
transient Object[] elementData; // non-private to simplify nested class access
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
private int newCapacity(int minCapacity) {
// overflow-conscious code
int oldCapacity = elementData.length;
int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;
3.2.Vector类（不常用）
protected Object[] elementData;
public Vector() {
this(10);
}int oldCapacity = elementData.length;
int newCapacity = oldCapacity + ((capacityIncrement > 0) ?
capacityIncrement : oldCapacity);
private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;
3.3 LinkedList
/**
* Pointer to first node.
*/
transient Node first;
/**
* Pointer to last node.
*/
transient Node last;
transient int size = 0;
//当默认构造的时候,创建集合的时候
public LinkedList() {
}
//使用添加方法,直接将元素添加到末尾
public boolean add(E e) {
linkLast(e);
return true;
}
//给尾部添加元素
void linkLast(E e) {
//获取最后一个元素
final Node l = last;
//新创建一个界面，其尾结点为null
final Node newNode = new Node<>(l, e, null);
//将数组中存储最后一个界面的元素复制
last = newNode;
//如果此时集合为null，则另第一个节点也为该元素，否则就将这个元素的下一个节点设置为该元素节点
if (l == null)
first = newNode;
else
l.next = newNode;
//节点数量增加
size++;
modCount++;
}//LinkedList支持指定的索引出增加节点
public void add(int index, E element) {
//检查传入的索引是否符合要求
checkPositionIndex(index);
//如果这个索引是最后一个节点，则直接添加
if (index == size)
linkLast(element);
else
//否则
linkBefore(element, node(index));
}
//返回了指定下标的Node
Node node(int index) {
// assert isElementIndex(index);
//如果此时的下标小于节点的一半，相当于一个二分查找的方法，
if (index < (size >> 1)) {
Node x = first;
for (int i = 0; i < index; i++)
x = x.next;
return x;
} else {
Node x = last;
for (int i = size - 1; i > index; i--)
x = x.prev;
return x;
}
//将需要插入的元素进行插入
void linkBefore(E e, Node succ) {
// assert succ != null;
final Node pred = succ.prev;
final Node newNode = new Node<>(pred, e, succ);
succ.prev = newNode;
if (pred == null)
first = newNode;
else
pred.next = newNode;
size++;
modCount++;
}> 实现的思想可以归结为：每一次的插入或者移除，都是通过node()方法获取指定的Node节点，然后通过linkBefore或者linkLast这些方法来具体进行链表的操作。
4.Set接口
4.1 TreeSet类
先来瞅一眼这个类的继承关系吧
剖析一下这个类的源码
public class TreeSet extends AbstractSet
implements NavigableSet, Cloneable, java.io.Serializable
{
/**
* 存放生成的TreeMap集合
*/
private transient NavigableMap m;
// 作为值添加到TreeMap中，即每一个Entry的键不同但值相同，都是一个对象的地址
private static final Object PRESENT = new Object();
public TreeSet() {
this(new TreeMap<>());
}
TreeSet(NavigableMap m) {
this.m = m;
}
//添加方法
public boolean add(E e) {
return m.put(e, PRESENT)==null;
}
4.2 HashSet类
//键
private transient HashMap map;
// 值
private static final Object PRESENT = new Object();
//构造
public HashSet() {
map = new HashMap<>();
}
4.3 LinkedHashSet类
public LinkedHashSet() {
super(16, .75f, true);
}
HashSet(int initialCapacity, float loadFactor, boolean dummy) {
map = new LinkedHashMap<>(initialCapacity, loadFactor);
}5. Map类
int size()
isEmpty();
containsKey()
containsValue()
get()
put()
remove()
keyset()
values()
entrySet()
5.1Entry类
5.2HashMap类
> put的时候，会通过hash算法，计算一个index，这个index就是节点数组的下标，此时这个实体就被存储到这个数组中。但是由于这个hash算法不能保证任何一个key值计算出来的hash值均相同，所以采用链表的方式，挂载相同的index的实体。在1.8以后，当链表的节点数量大于或者等于8的时候且数组的容量大于64的时候，就会将链表转换为红黑树
//保存的数组，初始化16个
transient Node[] table;
//为entrySet和value提供一个缓存
transient Set> entrySet;
//元素的数量
transient int size;
//初始容量
static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; // aka 16
//最大容量
static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;
//数组递增的策略 当size > capacity*loadFacotor的时候递增
final float loadFactor;
static class Node implements Map.Entry {
final int hash;
final K key;
V value;
Node next;
Node(int hash, K key, V value, Node next) {
this.hash = hash;
this.key = key;
this.value = value;
this.next = next;
}
//hash算法，保证哈希值平均分布，只有当为16的时候才可以最大程度的保证平均分布
static final int hash(Object key) {
int h;
return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
}//创建一个HashMap对象，并且设定它的递增策略为0.75倍
public HashMap() {
this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; // all other fields defaulted
}
static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;
//执行put方法
public V put(K key, V value) {
//key通过hash算法计算一个index
return putVal(hash(key), key, value, false, true);
}
final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
boolean evict) {
Node[] tab; Node p; int n, i;
//第一次进入为null,所以执行初始化容器大小
if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
//此时返回的就是初始化容器以后的大小即16
n = (tab = resize()).length;
//计算下标，如果等于null，直接赋值
if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
else {
//如果该数组刚好有值，则采用链表或者红黑树的方式添加数据节点
Node e; K k;
//判断两个节点是否相等
if (p.hash == hash &&
((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
e = p;
//判断当前节点是否属于红黑树节点
else if (p instanceof TreeNode)
e = ((TreeNode)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
else {
//如果不是直接进行链表连接
for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
if ((e = p.next) == null) {
//将当前节点的下一个节点设置为新的实体节点
p.next = newNode(hash, key, value, null);
//如果此时的节点容量为7那么将链表转换为红黑树
if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
treeifyBin(tab, hash);
break;
}
//判断新传入的实体和当前绑定节点的子节点是否相同，如果相同直接退出
if (e.hash == hash &&
((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
break;
//进入这个子节点
p = e;
}
}
if (e != null) { // existing mapping for key
V oldValue = e.value;
if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
e.value = value;
afterNodeAccess(e);
return oldValue;
}
}
//修改次数
++modCount;
//查看当前容器的容量是否大于threshold ,如果大于增加数组容量为原来的一倍
if (++size > threshold)
resize();
afterNodeInsertion(evict);
return null;
}
//初始化容器大小
final Node[] resize() {
Node[] oldTab = table;
//旧容量为0
int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;
int oldThr = threshold;
//设置当前容器的递增为0
int newCap, newThr = 0;
//此时的oldCap=0 , newThr = 0 直接else执行
if (oldCap > 0) {
if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
threshold = Integer.MAX_VALUE;
return oldTab;
}
//扩容，将数组的容量和扩容因子变为原来的一倍
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
//初始化容器为默认16
newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;
//初始化阙值
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[] newTab = (Node[])new Node[newCap];
//初始化存储容器数组
table = newTab;5.2.1 Hash数据结构
在java中所有的数据结构都可以使用数组和指针即引用来实现。而Hash也成散列，就是一个链表加数组实现。
Hash数据结构具有无序的特征。这里的无序指的是存入顺序于取出顺序不一样。
什么是Hash表的负载因子？负载因子代表了Hash表的空间填充度，即负载因子越大其对空间的使用率越高，但这也造成了查询速度慢，而负载因子越小，其查询速度越快，空间填充度越低。所以在使用的过程一般会通过保持一个平衡。如HashMap的负载因子初始化为0.75.保证了两者之间的权衡。
Hash表如何存储数据？Hash表的每一次存储都会先调用一个Hash函数，而这个Hash函数最后运算的值就是所存储数据的下标。即当需要查询数据的时候，仅仅只需要调用Hash函数进行一次计算就可以得出该数据所在的下标。
5.2.2 HashMap中的数据结构实现
下面详细解析一下HashMap中的Hash表的实现
在HashMap初始化的时候，首先会给内部的负载因子赋值为0.75，然后创建对象，注意此时的HashMap内部的Node数组并没有实例化。
开始put数据，此时put方法会调用putVal()方法，但在调用这个putVal方法之前，他首先通过hash算法计算了一次这个key所对应的哈希值，而在putVal()方法中，又将这个哈希值通过和数组的容量-1进行&运算，得出了在这个数组的容量范围内的一个index。此时这个key所需要存储的index正式确定。
确定key以后，需要判断该index下有没有值，如果有，判断新增的这个元素与现有这个元素是否相同，如果相同，替换该值；如果不相同，遍历这个链表，判断这个链表中是否存在和新增元素相同的值，如果不存在则直接添加到链表尾部，如果存在，替换该值；当然如果此时链表中节点的个数大于或者等于8且数组的容量大于64的时候以后就将链表转化为红黑树。
containKey方法的实现，就是直接通过hash方法计算出哈希值，然后通过&运算，获取数组下标，判断这个下标是否为该值，如果不是，则进行遍历链表或者红黑树。
containeValue方法实现，一级一级遍历时间复杂度似乎蛮高的
5.3 LinkedHashMap类
我们所知道的LinkedHashMap类可以顺序的输出用户所输入的数据。下面谈一下他的实现方式
LinkedHashMap中定义了一个Entry类，继承了HashMap.Node节点类，额外定义了两个属性，before和after，还有最重要的一个方法newNode，这个方法被LinkedHashMap重写，确定了顺序性。看到这也就知道这是双向链表的两个值了。LinkedHashMap在每一次put元素之后都要将该元素的上一个节点设置为之前的那个节点。代码说明！！！
// 链表的第一个节点，LinkedHashMap会保存链表的最后一个节点的属性，以方便进行节点添加
transient LinkedHashMap.Entry head;
// 链表的最后一个节点
transient LinkedHashMap.Entry tail;
//老方法，new个对象再说（单身狗的呐喊）
public LinkedHashMap() {
super();
accessOrder = false;
}
//直接调用HashMap的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) {
//在putVal中调用了
afterNodeAccess(e);
afterNodeInsertion(evict);Node newNode(int hash, K key, V value, Node e) {
LinkedHashMap.Entry p =
new LinkedHashMap.Entry<>(hash, key, value, e);
linkNodeLast(p);
return p;
}
// link at the end of list
private void linkNodeLast(LinkedHashMap.Entry p) {
//获取最后一个节点
LinkedHashMap.Entry last = tail;
//将最后一个节点定义为新增的节点
tail = p;
//如果等于null那么说明之前没有元素
if (last == null)
head = p;
else {
//如果有，将这个元素的上一个节点定义为之前的最后一个元素
p.before = last;
//最后一个节点的下一个元素定义为新元素
last.after = p;
}
}
//判断这个新的节点是否为最后一个节点，如果不是移动该节点到最后
void afterNodeAccess(Node e) { // move node to last
LinkedHashMap.Entry last;
//查看当前最后一个节点是否为当前新增的元素
if (accessOrder && (last = tail) != e) {
//p为当前元素，a为下一个元素，b为上一个元素
LinkedHashMap.Entry p =
(LinkedHashMap.Entry)e, b = p.before, a = p.after;
//将p的下一个元素定义为null，切断和之前元素的联系
p.after = null;
//如果上一个元素为null ，则说明将该节点的下一个节点赋值为头结点
if (b == null)
head = a;
else
//否则，将上一个节点的下一个节点定义为a，到此，这个新的节点已经被独立出来了
b.after = a;
//如果此时a不为null
if (a != null)
//则直接赋值
a.before = b;
else
last = b;
if (last == null)
head = p;
else {
p.before = last;
last.after = p;
}
tail = p;
++modCount;
}
}
//永远不起作用removeEldestEntry方法永远返回false
void afterNodeInsertion(boolean evict) { // possibly remove eldest
LinkedHashMap.Entry first;
if (evict && (first = head) != null && removeEldestEntry(first)) {
K key = first.key;
removeNode(hash(key), key, null, false, true);
}
}
protected boolean removeEldestEntry(Map.Entry eldest) {
return false;
}
5.4 TreeMap类
5.4.1TreeMap创建源码分析
//比较器
private final Comparator comparator;
//根节点
private transient Entry root;
//节点数量
private transient int size = 0;
//修改次数
private transient int modCount = 0;
//红黑颜色判断
private static final boolean RED = false;
private static final boolean BLACK = true;
//节点实体
static final class Entry implements Map.Entry {
K key;
V value;
Entry left;
Entry right;
Entry parent;
//默认颜色为黑色
boolean color = BLACK;
}
public TreeMap() {
//默认构造器
comparator = null;
}
public TreeMap(Comparator comparator) {
//传入自定义的构造器
this.comparator = comparator;
}
public TreeMap(Map m) {
comparator = null;
putAll(m);
} public V put(K key, V value) {
//赋值
Entry t = root;
//如果此时的root为null
if (t == null) {
//检查这个key是否为null
compare(key, key); // type (and possibly null) check
//创建根节点
root = new Entry<>(key, value, null);
size = 1;//设置节点数量
modCount++;//修改次数增加
return null;
}
//定义比较值
int cmp;
Entry parent;
// split comparator and comparable paths
Comparator cpr = comparator;
//如果此时存在自定义比较器，根据比较器规则进行二分比较
if (cpr != null) {
do {
parent = t;
cmp = cpr.compare(key, t.key);
if (cmp < 0)
t = t.left;
else if (cmp > 0)
t = t.right;
else
//形同替换value值
return t.setValue(value);
} while (t != null);
}
else {
//使用默认的比较器，查找方法一样
if (key == null)
throw new NullPointerException();
@SuppressWarnings("unchecked")
Comparable k = (Comparable) key;
do {
parent = t;
cmp = k.compareTo(t.key);
if (cmp < 0)
t = t.left;
else if (cmp > 0)
t = t.right;
else
return t.setValue(value);
} while (t != null);
}
//没有当前节点，则创建该元素的实体节点
Entry e = new Entry<>(key, value, parent);
//根据比较器规则，添加节点
if (cmp < 0)
parent.left = e;
else
parent.right = e;
//红黑树自动平衡算法
fixAfterInsertion(e);
//节点数量，修改数量递增
size++;
modCount++;
return null;
}5.4.2 TreeMap对象增加的过程
创建一个TreeMap，此时可以传入一个比较器，如果不传入按照默认的自然顺序进行比较。
put对象，首先，检查该root节点是否为null，如果为null，检查当前传入key是否为null，不为null，则直接创建一个root节点。如果当前root节点有值，则通过二分查找，寻找当前可以进行添加的父节点，找到以后按照比较器规则进行添加。
添加以后，红黑树进行自动平衡实现。
5.5 HashTable类
HashTable也是基于哈希表实现，和HashMap不同的是HashTable是线程安全的。
private transient Entry[] table;//存储数组
private transient int count;//容器中数据多少
private int threshold;//容器容量达到次数以后进行修改
private transient int modCount = 0;//修改次数
int hash = key.hashCode();
int index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;
public Hashtable(int initialCapacity, float loadFactor) {
if (initialCapacity < 0)
throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+
initialCapacity);
if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor))
throw new IllegalArgumentException("Illegal Load: "+loadFactor);
if (initialCapacity==0)
initialCapacity = 1;
this.loadFactor = loadFactor;
table = new Entry[initialCapacity];
threshold = (int)Math.min(initialCapacity * loadFactor, MAX_ARRAY_SIZE + 1);
}public synchronized V put(K key, V value) {
// Make sure the value is not null
if (value == null) {
throw new NullPointerException();
}
// Makes sure the key is not already in the hashtable.
Entry tab[] = table;
//hash函数计算一个index
int hash = key.hashCode();
int index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;
@SuppressWarnings("unchecked")
Entry entry = (Entry)tab[index];
for(; entry != null ; entry = entry.next) {
if ((entry.hash == hash) && entry.key.equals(key)) {
V old = entry.value;
entry.value = value;
return old;
}
}
addEntry(hash, key, value, index);
return null;
}
//增加实体
private void addEntry(int hash, K key, V value, int index) {
Entry tab[] = table;
if (count >= threshold) {
// Rehash the table if the threshold is exceeded
rehash();
tab = table;
hash = key.hashCode();
index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;
}
// Creates the new entry.
@SuppressWarnings("unchecked")
Entry e = (Entry) tab[index];
tab[index] = new Entry<>(hash, key, value, e);
count++;
modCount++;
}5.5.1 HashTable和HashMap的区别
| HashTable | HashMap | | 底层时间 | 哈希表+链表 | 哈希表+链表+红黑树 |
| 初始化时间及大小 | 构造方法初始化，大小为11 | put方法初始化，大小为16 |
| 线程安全 | 安全 | 不安全 |
| Hash值 | 直接使用了hashcode | 重新计算 |
| 扩容 | 二倍+1 | 二倍 |
5.6 Properties类
关于Java中集合的底层实现原理是什么就分享到这里了，希望以上内容可以对大家有一定的帮助，可以学到更多知识。如果觉得文章不错，可以把它分享出去让更多的人看到。
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