本文將所有集合與并發(fā)集合的特征，實現(xiàn)方式，性能捋一遍。適合所有”精通Java”其實還不那么自信的人閱讀。

List

ArrayList

以數(shù)組實現(xiàn)。節(jié)約空間，但數(shù)組有容量限制。超出限制時會增加50%容量，用System.arraycopy()復(fù)制到新的數(shù)組，因此最好能給出數(shù)組大小的預(yù)估值。默認(rèn)第一次插入元素時創(chuàng)建大小為10的數(shù)組。

按數(shù)組下標(biāo)訪問元素–get(i)/set(i,e) 的性能很高，這是數(shù)組的基本優(yōu)勢。

直接在數(shù)組末尾加入元素–add(e)的性能也高，但如果按下標(biāo)插入、刪除元素–add(i,e), remove(i), remove(e)，則要用System.arraycopy()來移動部分受影響的元素，性能就變差了，這是基本劣勢。

LinkedList

以雙向鏈表實現(xiàn)。鏈表無容量限制，但雙向鏈表本身使用了更多空間，也需要額外的鏈表指針操作。

按下標(biāo)訪問元素–get(i)/set(i,e) 要悲劇的遍歷鏈表將指針移動到位(如果i>數(shù)組大小的一半，會從末尾移起)。

插入、刪除元素時修改前后節(jié)點的指針即可，但還是要遍歷部分鏈表的指針才能移動到下標(biāo)所指的位置，只有在鏈表兩頭的操作–add(), addFirst(),removeLast()或用iterator()上的remove()能省掉指針的移動。

CopyOnWriteArrayList

并發(fā)優(yōu)化的ArrayList。用CopyOnWrite策略，在修改時先復(fù)制一個快照來修改，改完再讓內(nèi)部指針指向新數(shù)組。

因為對快照的修改對讀操作來說不可見，所以只有寫鎖沒有讀鎖，加上復(fù)制的昂貴成本，典型的適合讀多寫少的場景。如果更新頻率較高，或數(shù)組較大時，還是Collections.synchronizedList(list)，對所有操作用同一把鎖來保證線程安全更好。

增加了addIfAbsent(e)方法，會遍歷數(shù)組來檢查元素是否已存在，性能可想像的不會太好。

補充

無論哪種實現(xiàn)，按值返回下標(biāo)–contains(e), indexOf(e), remove(e) 都需遍歷所有元素進行比較，性能可想像的不會太好。

沒有按元素值排序的SortedList，在線程安全類中也沒有無鎖算法的ConcurrentLinkedList，湊合著用Set與Queue中的等價類時，會缺少一些List特有的方法。

Map

HashMap

以Entry[]數(shù)組實現(xiàn)的哈希桶數(shù)組，用Key的哈希值取模桶數(shù)組的大小可得到數(shù)組下標(biāo)。

插入元素時，如果兩條Key落在同一個桶(比如哈希值1和17取模16后都屬于第一個哈希桶)，Entry用一個next屬性實現(xiàn)多個Entry以單向鏈表存放，后入桶的Entry將next指向桶當(dāng)前的Entry。

查找哈希值為17的key時，先定位到第一個哈希桶，然后以鏈表遍歷桶里所有元素，逐個比較其key值。

當(dāng)Entry數(shù)量達到桶數(shù)量的75%時(很多文章說使用的桶數(shù)量達到了75%，但看代碼不是)，會成倍擴容桶數(shù)組，并重新分配所有原來的Entry，所以這里也最好有個預(yù)估值。

取模用位運算(hash & (arrayLength-1))會比較快，所以數(shù)組的大小永遠(yuǎn)是2的N次方， 你隨便給一個初始值比如17會轉(zhuǎn)為32。默認(rèn)第一次放入元素時的初始值是16。

iterator()時順著哈希桶數(shù)組來遍歷，看起來是個亂序。

在JDK8里，新增默認(rèn)為8的閥值，當(dāng)一個桶里的Entry超過閥值，就不以單向鏈表而以紅黑樹來存放以加快Key的查找速度。

LinkedHashMap

擴展HashMap增加雙向鏈表的實現(xiàn)，號稱是最占內(nèi)存的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。支持iterator()時按Entry的插入順序來排序(但是更新不算， 如果設(shè)置accessOrder屬性為true，則所有讀寫訪問都算)。

實現(xiàn)上是在Entry上再增加屬性before/after指針，插入時把自己加到Header Entry的前面去。如果所有讀寫訪問都要排序，還要把前后Entry的before/after拼接起來以在鏈表中刪除掉自己。

TreeMap

以紅黑樹實現(xiàn)，篇幅所限詳見入門教程。支持iterator()時按Key值排序，可按實現(xiàn)了Comparable接口的Key的升序排序，或由傳入的Comparator控制。可想象的，在樹上插入/刪除元素的代價一定比HashMap的大。

支持SortedMap接口，如firstKey()，lastKey()取得最大最小的key，或sub(fromKey, toKey), tailMap(fromKey)剪取Map的某一段。

ConcurrentHashMap

并發(fā)優(yōu)化的HashMap，默認(rèn)16把寫鎖(可以設(shè)置更多)，有效分散了阻塞的概率，而且沒有讀鎖。
數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為Segment[]，Segment里面才是哈希桶數(shù)組，每個Segment一把鎖。Key先算出它在哪個Segment里，再算出它在哪個哈希桶里。

支持ConcurrentMap接口，如putIfAbsent(key，value)與相反的replace(key，value)與以及實現(xiàn)CAS的replace(key, oldValue, newValue)。

沒有讀鎖是因為put/remove動作是個原子動作(比如put是一個對數(shù)組元素/Entry 指針的賦值操作)，讀操作不會看到一個更新動作的中間狀態(tài)。

ConcurrentSkipListMap

JDK6新增的并發(fā)優(yōu)化的SortedMap，以SkipList實現(xiàn)。SkipList是紅黑樹的一種簡化替代方案，是個流行的有序集合算法，篇幅所限見入門教程。Concurrent包選用它是因為它支持基于CAS的無鎖算法，而紅黑樹則沒有好的無鎖算法。

很特殊的，它的size()不能隨便調(diào)，會遍歷來統(tǒng)計。

補充

關(guān)于null，HashMap和LinkedHashMap是隨意的，TreeMap沒有設(shè)置Comparator時key不能為null；ConcurrentHashMap在JDK7里value不能為null(這是為什么呢？)，JDK8里key與value都不能為null；ConcurrentSkipListMap是所有JDK里key與value都不能為null。

Set

Set幾乎都是內(nèi)部用一個Map來實現(xiàn), 因為Map里的KeySet就是一個Set，而value是假值，全部使用同一個Object。Set的特征也繼承了那些內(nèi)部Map實現(xiàn)的特征。

• HashSet：內(nèi)部是HashMap。
• LinkedHashSet：內(nèi)部是LinkedHashMap。
• TreeSet：內(nèi)部是TreeMap的SortedSet。
• ConcurrentSkipListSet：內(nèi)部是ConcurrentSkipListMap的并發(fā)優(yōu)化的SortedSet。
• CopyOnWriteArraySet：內(nèi)部是CopyOnWriteArrayList的并發(fā)優(yōu)化的Set，利用其addIfAbsent()方法實現(xiàn)元素去重，如前所述該方法的性能很一般。

補充：好像少了個ConcurrentHashSet，本來也該有一個內(nèi)部用ConcurrentHashMap的簡單實現(xiàn)，但JDK偏偏沒提供。Jetty就自己封了一個，Guava則直接用java.util.Collections.newSetFromMap(new ConcurrentHashMap()) 實現(xiàn)。

Queue

Queue是在兩端出入的List，所以也可以用數(shù)組或鏈表來實現(xiàn)。

–普通隊列–

LinkedList

是的，以雙向鏈表實現(xiàn)的LinkedList既是List，也是Queue。它是唯一一個允許放入null的Queue。

ArrayDeque

以循環(huán)數(shù)組實現(xiàn)的雙向Queue。大小是2的倍數(shù)，默認(rèn)是16。

普通數(shù)組只能快速在末尾添加元素，為了支持FIFO，從數(shù)組頭快速取出元素，就需要使用循環(huán)數(shù)組：有隊頭隊尾兩個下標(biāo)：彈出元素時，隊頭下標(biāo)遞增；加入元素時，如果已到數(shù)組空間的末尾，則將元素循環(huán)賦值到數(shù)組[0](如果此時隊頭下標(biāo)大于0，說明隊頭彈出過元素，有空位)，同時隊尾下標(biāo)指向0，再插入下一個元素則賦值到數(shù)組[1]，隊尾下標(biāo)指向1。如果隊尾的下標(biāo)追上隊頭，說明數(shù)組所有空間已用完，進行雙倍的數(shù)組擴容。

PriorityQueue

用二叉堆實現(xiàn)的優(yōu)先級隊列，詳見入門教程，不再是FIFO而是按元素實現(xiàn)的Comparable接口或傳入Comparator的比較結(jié)果來出隊，數(shù)值越小，優(yōu)先級越高，越先出隊。但是注意其iterator()的返回不會排序。

–線程安全的隊列–

ConcurrentLinkedQueue/ConcurrentLinkedDeque

無界的并發(fā)優(yōu)化的Queue，基于鏈表，實現(xiàn)了依賴于CAS的無鎖算法。

ConcurrentLinkedQueue的結(jié)構(gòu)是單向鏈表和head/tail兩個指針，因為入隊時需要修改隊尾元素的next指針，以及修改tail指向新入隊的元素兩個CAS動作無法原子，所以需要的特殊的算法，篇幅所限見入門教程。

PriorityBlockingQueue

無界的并發(fā)優(yōu)化的PriorityQueue，也是基于二叉堆。使用一把公共的讀寫鎖。雖然實現(xiàn)了BlockingQueue接口，其實沒有任何阻塞隊列的特征，空間不夠時會自動擴容。

DelayQueue

內(nèi)部包含一個PriorityQueue，同樣是無界的。元素需實現(xiàn)Delayed接口，每次調(diào)用時需返回當(dāng)前離觸發(fā)時間還有多久，小于0表示該觸發(fā)了。
pull()時會用peek()查看隊頭的元素，檢查是否到達觸發(fā)時間。ScheduledThreadPoolExecutor用了類似的結(jié)構(gòu)。

–線程安全的阻塞隊列–

BlockingQueue的隊列長度受限，用以保證生產(chǎn)者與消費者的速度不會相差太遠(yuǎn)，避免內(nèi)存耗盡。隊列長度設(shè)定后不可改變。當(dāng)入隊時隊列已滿，或出隊時隊列已空，不同函數(shù)的效果見下表：

ArrayBlockingQueue

定長的并發(fā)優(yōu)化的BlockingQueue，基于循環(huán)數(shù)組實現(xiàn)。有一把公共的讀寫鎖與notFull、notEmpty兩個Condition管理隊列滿或空時的阻塞狀態(tài)。

LinkedBlockingQueue/LinkedBlockingDeque

可選定長的并發(fā)優(yōu)化的BlockingQueue，基于鏈表實現(xiàn)，所以可以把長度設(shè)為Integer.MAX_VALUE。利用鏈表的特征，分離了takeLock與putLock兩把鎖，繼續(xù)用notEmpty、notFull管理隊列滿或空時的阻塞狀態(tài)。