Java的数据结构相关的类实现原理.docx

Java的数据结构相关的类实现原理List接口List是有序的Collection，使用此接口能够精确的控制每个元素插入的位置。用户能够使用索引（元素在List中的位置，类似于数组下标）来访问List中的元素，这类似于Java的数组。和下面要提到的Set不同，List允许有相同的元素。除了具有Collection接口必备的iterator()方法外，List还提供一个listIterator()方法，返回一个ListIterator接口，和标准的Iterator接口相比，ListIterator多了一些add()之类的方法，允许添加，删除，设定元素，还能向前或向后遍历。实现List接口的常用类有LinkedList，ArrayList，Vector和Stack。LinkedListList接口的链接列表实现。实现所有可选的列表操作，并且允许所有元素（包括null）。除了实现List接口外，LinkedList类还为在列表的开头及结尾get、remove和insert元素提供了统一的命名方法。这些操作允许将链接列表用作堆栈、队列或双端队列。此类实现Deque接口，为add、poll提供先进先出队列操作，以及其他堆栈和双端队列操作。所有操作都是按照双重链接列表的需要执行的。在列表中编索引的操作将从开头或结尾遍历列表（从靠近指定索引的一端）。注意，此实现不是同步的。如果多个线程同时访问一个链接列表，而其中至少一个线程从结构上修改了该列表，则它必须保持外部同步。（结构修改指添加或删除一个或多个元素的任何操作；仅设置元素的值不是结构修改。）这一般通过对自然封装该列表的对象进行同步操作来完成。如果不存在这样的对象，则应该使用Collections.synchronizedList方法来“包装”该列表。最好在创建时完成这一操作，以防止对列表进行意外的不同步访问，如下所示： List list = Collections.synchronizedList(new LinkedList(.);此类的iterator和listIterator方法返回的迭代器是快速失败的：在迭代器创建之后，如果从结构上对列表进行修改，除非通过迭代器自身的remove或add方法，其他任何时间任何方式的修改，迭代器都将抛出ConcurrentModificationException。因此，面对并发的修改，迭代器很快就会完全失败，而不冒将来不确定的时间任意发生不确定行为的风险。注意，迭代器的快速失败行为不能得到保证，一般来说，存在不同步的并发修改时，不可能作出任何硬性保证。快速失败迭代器尽最大努力抛出ConcurrentModificationException。因此，编写依赖于此异常的程序的方式是错误的，正确做法是：迭代器的快速失败行为应该仅用于检测程序错误。ArrayList ArrayList是List接口的可变数组的实现。实现了所有可选列表操作，并允许包括 null 在内的所有元素。除了实现 List 接口外，此类还提供一些方法来操作内部用来存储列表的数组的大小。 每个ArrayList实例都有一个容量，该容量是指用来存储列表元素的数组的大小。它总是至少等于列表的大小。随着向ArrayList中不断添加元素，其容量也自动增长。自动增长会带来数据向新数组的重新拷贝，因此，如果可预知数据量的多少，可在构造ArrayList时指定其容量。在添加大量元素前，应用程序也可以使用ensureCapacity操作来增加ArrayList实例的容量，这可以减少递增式再分配的数量。 注意，此实现不是同步的。如果多个线程同时访问一个ArrayList实例，而其中至少一个线程从结构上修改了列表，那么它必须保持外部同步。HashMapHashMap是基于哈希表的Map接口的非同步实现。此实现提供所有可选的映射操作，并允许使用null值和null键。此类不保证映射的顺序，特别是它不保证该顺序恒久不变。HashMap也不例外。HashMap实际上是一个“链表的数组”的数据结构，每个元素存放链表头结点的数组，即数组和链表的结合体。HashMap底层就是一个数组结构，数组中的每一项又是一个链表。当新建一个HashMap的时候，就会初始化一个数组。当我们往HashMap中put元素的时候，先根据key的hashCode重新计算hash值，根据hash值得到这个元素在数组中的位置（即下标），如果数组该位置上已经存放有其他元素了，那么在这个位置上的元素将以链表的形式存放，新加入的放在链头，最先加入的放在链尾。如果数组该位置上没有元素，就直接将该元素放到此数组中的该位置上。当系统决定存储HashMap中的key-value对时，完全没有考虑Entry中的value，仅仅只是根据key来计算并决定每个Entry的存储位置。我们完全可以把Map集合中的value当成key的附属，当系统决定了key的存储位置之后，value随之保存在那里即可。在HashMap中要找到某个元素，需要根据key的hash值来求得对应数组中的位置。如何计算这个位置就是hash算法。前面说过HashMap的数据结构是数组和链表的结合，所以我们当然希望这个HashMap里面的元素位置尽量的分布均匀些，尽量使得每个位置上的元素数量只有一个，那么当我们用hash算法求得这个位置的时候，马上就可以知道对应位置的元素就是我们要的，而不用再去遍历链表，这样就大大优化了查询的效率。归纳起来简单地说，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Entry对象。HashMap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。HashSetHashSet实现Set接口，由哈希表（实际上是一个HashMap实例）支持。它不保证set的迭代顺序；特别是它不保证该顺序恒久不变。此类允许使用null元素。HashSet实现Set接口，由哈希表（实际上是一个HashMap实例）支持。它不保证set的迭代顺序；特别是它不保证该顺序恒久不变。此类允许使用null元素。HashSet中不允许有重复元素，这是因为HashSet是基于HashMap实现的，HashSet中的元素都存放在HashMap的key上面，而value中的值都是统一的一个private static final Object PRESENT = new Object();。HashSet跟HashMap一样，都是一个存放链表的数组。HashSet中add方法调用的是底层HashMap中的put()方法，而如果是在HashMap中调用put，首先会判断key是否存在，如果key存在则修改value值，如果key不存在这插入这个key-value。而在set中，因为value值没有用，也就不存在修改value值的说法，因此往HashSet中添加元素，首先判断元素（也就是key）是否存在，如果不存在这插入，如果存在着不插入，这样HashSet中就不存在重复值。HashMap是不是有序的HashSet 和Hashmap分别是Set接口和Map接口的实现类，运用哈希算法来存取元素，也就是它们中的对象不按特定方式排序；有没有有顺序的Map实现类TreeMap和LinkedHashMapLinkedHashMapTreeMap?你觉得它们两个哪个的有序实现比较好？LinkedHashMap保存了记录的插入顺序，在用Iterator遍历LinkedHashMap时，先得到的记录肯定是先插入的.也可以在构造时用带参数，按照应用次数排序。在遍历的时候会比HashMap慢，不过有种情况例外，当HashMap容量很大，实际数据较少时，遍历起来可能会比LinkedHashMap慢，因为LinkedHashMap的遍历速度只和实际数据有关，和容量无关，而HashMap的遍历速度和他的容量有关。 TreeMap实现SortMap接口，能够把它保存的记录根据键排序,默认是按键值的升序排序，也可以指定排序的比较器，当用Iterator 遍历TreeMap时，得到的记录是排过序的。TreeMap取出来的是排序后的键值对。但如果您要按自然顺序或自定义顺序遍历键，那么TreeMap会更好。LinkedHashMap 是HashMap的一个子类，如果需要输出的顺序和输入的相同,那么用LinkedHashMap可以实现,它还可以按读取顺序来排列，像连接池中可以应用。你觉得还有没有比它更好或者更高效的实现方式？?Java的虚拟机的内容。这部分主要包括三部分，GC、类加载机制，以及内存。GC部分什么时候一个对象会被GC？1. 什么样的对象是垃圾？一般来说，所有指向对象的引用都已失效，不可能再有程序能调用到这个对象，那么这个对象就成了垃圾，应该被回收。1.1 根据这个思路，很容易就能想到用引用计数的办法来确定一个对象是否是垃圾。即每当多一个引用指向对象时，引用计数加一，每当少一个引用指向对象时，引用计数减一，引用计数减到零，对象就可以被回收了。1.2 然而引用计数有一个致命问题不好解决，就是循环引用的问题。比如说一个循环链表，他们循环引用者，引用计数永远不会为零，但是实际上程序已经不能访问他们了，他们应该被回收。1.3 所以Java实际上是使用基于GC Roots的可达性分析，什么是GC Roots？所有类的静态变量，每个线程调用栈上的本地变量。（实际上我们编程时也是要从这些地方开始访问数据），所有这些对象，以及被这些对象所指向的对象，都是活的对象。活的对象所指向的对象也是活的对象。1.4 所以只要在GC的时刻，让程序暂停运行，然后从GC Roots开始分析，最后没有被标记为活对象的对象就是垃圾了。什么时候触发GC1.当应用程序空闲时,即没有应用线程在运行时,GC会被调用。因为GC在优先级最低的线程中进行,所以当应用忙时,GC线程就不会被调用,但以下条件除外。2.Java堆内存不足时,GC会被调用。当应用线程在运行,并在运行过程中创建新对象,若这时内存空间不足,JVM就会强制地调用GC线程,以便回收内存用于新的分配。若GC一次之后仍不能满足内存分配的要求,JVM会再进行两次GC作进一步的尝试,若仍无法满足要求,则 JVM将报“out of memory”的错误,Java应用将停止。GC算法标记-清除算法 (Mark-Sweep)标记-清除算法将垃圾回收分为两个阶段：标记阶段和清除阶段。一种可行的实现是，在标记阶段首先通过根节点，标记所有从根节点开始的较大对象。因此，未被标记的对象就是未被引用的垃圾对象。然后，在清除阶段，清除所有未被标记的对象。该算法最大的问题是存在大量的空间碎片，因为回收后的空间是不连续的。在对象的堆空间分配过程中，尤其是大对象的内存分配，不连续的内存空间的工作效率要低于连续的空间。复制算法 (Copying)将现有的内存空间分为两快，每次只使用其中一块，在垃圾回收时将正在使用的内存中的存活对象复制到未被使用的内存块中，之后，清除正在使用的内存块中的所有对象，交换两个内存的角色，完成垃圾回收。如果系统中的垃圾对象很多，复制算法需要复制的存活对象数量并不会太大。因此在真正需要垃圾回收的时刻，复制算法的效率是很高的。又由于对象在垃圾回收过程中统一被复制到新的内存空间中，因此，可确保回收后的内存空间是没有碎片的。该算法的缺点是将系统内存折半。Java 的新生代串行垃圾回收器中使用了复制算法的思想。新生代分为 eden 空间、from 空间、to 空间 3 个部分。其中 from 空间和 to 空间可以视为用于复制的两块大小相同、地位相等，且可进行角色互换的空间块。from 和 to 空间也称为 survivor 空间，即幸存者空间，用于存放未被回收的对象。在垃圾回收时，eden 空间中的存活对象会被复制到未使用的 survivor 空间中 (假设是 to)，正在使用的 survivor 空间 (假设是 from) 中的年轻对象也会被复制到 to 空间中 (大对象，或者老年对象会直接进入老年带，如果 to 空间已满，则对象也会直接进入老年代)。此时，eden 空间和 from 空间中的剩余对象就是垃圾对象，可以直接清空，to 空间则存放此次回收后的存活对象。这种改进的复制算法既保证了空间的连续性，又避免了大量的内存空间浪费。标记-压缩算法 (Mark-Compact)复制算法的高效性是建立在存活对象少、垃圾对象多的前提下的。这种情况在年轻代经常发生，但是在老年代更常见的情况是大部分对象都是存活对象。如果依然使用复制算法，由于存活的对象较多，复制的成本也将很高。标记-压缩算法是一种老年代的回收算法，它在标记-清除算法的基础上做了一些优化。也首先需要从根节点开始对所有可达对象做一次标记，但之后，它并不简单地清理未标记的对象，而是将所有的存活对象压缩到内存的一端。之后，清理边界外所有的空间。这种方法既避免了碎片的产生，又不需要两块相同的内存空间，因此，其性价比比较高。分代 (Generational Collecting)根据垃圾回收对象的特性，不同阶段最优的方式是使用合适的算法用于本阶段的垃圾回收，分代算法即是基于这种思想，它将内存区间根据对象的特点分成几块，根据每块内存区间的特点，使用不同的回收算法，以提高垃圾回收的效率。以 Hot Spot 虚拟机为例，它将所有的新建对象都放入称为年轻代的内存区域，年轻代的特点是对象会很快回收，因此，在年轻代就选择效率较高的复制算法。当一个对象经过几次回收后依然存活，对象就会被放入称为老生代的内存空间。在老生代中，几乎所有的对象都是经过几次垃圾回收后依然得以幸存的。因此，可以认为这些对象在一段时期内，甚至在应用程序的整个生命周期中，将是常驻内存的。如果依然使用复制算法回收老生代，将需要复制大量对象。再加上老生代的回收性价比也要低于新生代，因此这种做法也是不可取的。根据分代的思想，可以对老年代的回收使用与新生代不同的标记-压缩算法，以提高垃圾回收效率。GC策略Serial(串行GC)收集器Serial收集器是一个新生代收集器，单线程执行，使用复制算法。它在进行垃圾收集时，必须暂停其他所有的工作线程(用户线程)。是Jvm client模式下默认的新生代收集器。对于限定单个CPU的环境来说，Serial收集器由于没有线程交互的开销，专心做垃圾收集自然可以获得最高的单线程收集效率。ParNew(并行GC)收集器ParNew收集器其实就是serial收集器的多线程版本，除了使用多条线程进行垃圾收集之外，其余行为与Serial收集器一样。Parallel Scavenge(并行回收GC)收集器Parallel Scavenge收集器也是一个新生代收集器，它也是使用复制算法的收集器，又是并行多线程收集器。parallel Scavenge收集器的特点是它的关注点与其他收集器不同，CMS等收集器的关注点是尽可能地缩短垃圾收集时用户线程的停顿时间，而parallel Scavenge收集器的目标则是达到一个可控制的吞吐量。吞吐量= 程序运行时间/(程序运行时间 + 垃圾收集时间)，虚拟机总共运行了100分钟。其中垃圾收集花掉1分钟，那吞吐量就是99%。Serial Old(串行GC)收集器Serial Old是Serial收集器的老年代版本，它同样使用一个单线程执行收集，使用“标记-整理”算法。主要使用在Client模式下的虚拟机。Parallel Old(并行GC)收集器Parallel Old是Parallel Scavenge收集器的老年代版本，使用多线程和“标记-整理”算法。CMS(并发GC)收集器CMS(Concurrent Mark Sweep)收集器是一种以获取最短回收停顿时间为目标的收集器。CMS收集器是基于“标记-清除”算法实现的，整个收集过程大致分为4个步骤：.初始标记(CMS initial mark).并发标记(CMS concurrenr mark).重新标记(CMS remark).并发清除(CMS concurrent sweep) 其中初始标记、重新标记这两个步骤任然需要停顿其他用户线程。初始标记仅仅只是标记出GC ROOTS能直接关联到的对象，速度很快，并发标记阶段是进行GC ROOTS 根搜索算法阶段，会判定对象是否存活。而重新标记阶段则是为了修正并发标记期间，因用户程序继续运行而导致标记产生变动的那一部分对象的标记记录，这个阶段的停顿时间会被初始标记阶段稍长，但比并发标记阶段要短。 由于整个过程中耗时最长的并发标记和并发清除过程中，收集器线程都可以与用户线程一起工作，所以整体来说，CMS收集器的内存回收过程是与用户线程一起并发执行的。CMS收集器的优点：并发收集、低停顿，但是CMS还远远达不到完美，器主要有三个显著缺点：CMS收集器对CPU资源非常敏感。在并发阶段，虽然不会导致用户线程停顿，但是会占用CPU资源而导致引用程序变慢，总吞吐量下降。CMS默认启动的回收线程数是：(CPU数量+3) / 4。CMS收集器无法处理浮动垃圾，可能出现“Concurrent Mode Failure“，失败后而导致另一次Full GC的产生。由于CMS并发清理阶段用户线程还在运行，伴随程序的运行自热会有新的垃圾不断产生，这一部分垃圾出现在标记过程之后，CMS无法在本次收集中处理它们，只好留待下一次GC时将其清理掉。这一部分垃圾称为“浮动垃圾”。也是由于在垃圾收集阶段用户线程还需要运行，即需要预留足够的内存空间给用户线程使用，因此CMS收集器不能像其他收集器那样等到老年代几乎完全被填满了再进行收集，需要预留一部分内存空间提供并发收集时的程序运作使用。在默认设置下，CMS收集器在老年代使用了68%的空间时就会被激活，也可以通过参数-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction的值来提供触发百分比，以降低内存回收次数提高性能。要是CMS运行期间预留的内存无法满足程序其他线程需要，就会出现“Concurrent Mode Failure”失败，这时候虚拟机将启动后备预案：临时启用Serial Old收集器来重新进行老年代的垃圾收集，这样停顿时间就很长了。所以说参数-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction设置的过高将会很容易导致“Concurrent Mode Failure”失败，性能反而降低。最后一个缺点，CMS是基于“标记-清除”算法实现的收集器，使用“标记-清除”算法收集后，会产生大量碎片。空间碎片太多时，将会给对象分配带来很多麻烦，比如说大对象，内存空间找不到连续的空间来分配不得不提前触发一次Full GC。为了解决这个问题，CMS收集器提供了一个-XX:UseCMSCompactAtFullCollection开关参数，用于在Full GC之后增加一个碎片整理过程，还可通过-XX:CMSFullGCBeforeCompaction参数设置执行多少次不压缩的Full GC之后，跟着来一次碎片整理过程。G1收集器G1(Garbage First)收集器是JDK1.7提供的一个新收集器，G1收集器基于“标记-整理”算法实现，也就是说不会产生内存碎片。还有一个特点之前的收集器进行收集的范围都是整个新生代或老年代，而G1将整个Java堆(包括新生代，老年代)。类加载机制Java的类加载器都有哪些？（1）启动类加载器（Bootstrap ClassLoader） 这个类加载器负责将存放在JAVA_HOME/lib下的，或者被-Xbootclasspath参数所指定的路径中的，并且是虚拟机识别的类库加载到虚拟机内存中。启动类加载器无法被Java程序直接引用。（2）扩展类加载器（Extension ClassLoader）这个加载器负责加载JAVA_HOME/lib/ext目录中的，或者被java.ext.dirs系统变量所指定的路径中的所有类库，开发者可以直接使用扩展类加载器（3）应用程序类加载器（Application ClassLoader）这个加载器是ClassLoader中getSystemClassLoader()方法的返回值，所以一般也称它为系统类加载器。它负责加载用户类路径（Classpath）上所指定的类库，可直接使用这个加载器，如果应用程序没有自定义自己的类加载器，一般情况下这个就是程序中默认的类加载器类加载之间的父子关系是怎样的？Bootstrap没有父加载器，Extension类加载器的父加载器为Bootstrap，Application类加载器的父加载器为Extension。什么是双亲委派模型双亲委派模型要求除了顶层的启动类加载器外，其他的类加载