一、List

1、ArrayList

① 关键源码

// 默认初始化为空数组
public ArrayList() {this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;}

// 添加元素
public boolean add(E e) {
    // 增加 modCount, 判断扩容
    ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
    elementData[size++] = e;
    return true;
}

// 扩容函数
private void grow(int minCapacity) {
    // overflow-conscious code
    int oldCapacity = elementData.length;
    // 新的容量等于旧容量的 1.5 倍，使用位移更高效
    int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
    if (newCapacity - minCapacity < 0)
        newCapacity = minCapacity;
    if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
        newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
    // minCapacity is usually close to size, so this is a win:
    // 扩容是一个数组复制的过程
    elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
}

② 特点

1. 空集合 第一次添加元素 时默认初始容量为 10
2. 线程不安全 (在单线程中才使用 ArrayList，而在多线程中可以选择 Vector[方法加了 sync 关键字] 或者 CopyOnWriteArrayList[juc 包])
3. 遍历时，使用随机访问 (即，通过索引序号访问) 效率最高，而使用迭代器的效率最低

4. fail-fast 机制

   • fail-fast 机制是 java 集合 (Collection) 中的一种错误机制。当 多个线程对同一个集合的内容进行操作时，就可能会产生 fail-fast 事件。
   • AbstractList 源码中，每修改一次 (添加 / 删除等操作)，将 modCount+1
     由于 实现的 Itr 类中，next() 和 remove()都会执行 checkForComodification()
     若“modCount 不等于 expectedModCount”，则抛出 ConcurrentModificationException 异常，产生 fail-fast 事件。
     所以当多个线程同时操作时，会抛出 ConcurrentModificationException 异常

2、LinkedList

① 关键源码

// 初始化空列表
public LinkedList() {}

// 在列表末尾添加一个节点
public boolean add(E e) {linkLast(e);
    return true;
}

// linkLast 函数
void linkLast(E e) {
    final Node<E> l = last;
    final Node<E> newNode = new Node<>(l, e, null);
    last = newNode;
    if (l == null)
        // last 为空说明是个空列表，插入的则为第一个节点
        first = newNode;
    else
        l.next = newNode;
    size++;
    modCount++;
}

// Node 类
private static class Node<E> {
    E item;
    Node<E> next;
    Node<E> prev;

    Node(Node<E> prev, E element, Node<E> next) {
        this.item = element;
        this.next = next;
        this.prev = prev;
    }
}

② 特点

1. LinkedList 的本质是 双向链表。
2. LinkedList 包含两个重要的成员：Node<E> 和 size。
3. Node 是双向链表节点所对应的类的实例。Node 中包含成员变量：prev, next, item
4. 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。size 是双向链表中节点的个数。

3、LinkedList 和 ArrayList 使用场景和性能分析

1、ArrayList 是一个数组队列，相当于动态数组。它由数组实现，随机访问效率高，随机插入、随机删除效率低(涉及到复制)。2、LinkedList 是一个双向链表。它也可以被当作堆栈、队列或双端队列进行操作。LinkedList 随机访问效率低，但随机插入、随机删除效率高。(01) 对于需要快速插入，删除元素，应该使用 LinkedList。(02) 对于需要快速随机访问元素，应该使用 ArrayList。(03) 对于“单线程环境”或者“多线程环境，但 List 仅仅只会被单个线程操作”，此时应该使用非同步的类(如 ArrayList)。对于“多线程环境，且 List 可能同时被多个线程操作”，此时，应该使用同步的类(如 CopyOnWriteArrayList)。

二、Map

1、HashMap

① 关键源码

// 加载因子
static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;
// 初始化容量
static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; // aka 16

// 初始的加载因子默认为 0.75，此时还没有初始化容量，在 put 的时候会进行 resize()将容量初始化为 16
public HashMap() {this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; // all other fields defaulted}


public V put(K key, V value) {return putVal(hash(key), key, value, false, true);
}

/**
* key 的 hash 值的计算是通过 hashCode()的高 16 位异或低 16 位实现的：(h = k.hashCode()) ^ (h >>> 16)
* 这么做可以在数组 table 的 length 比较小的时候
* 也能保证考虑到高低 Bit 都参与到 Hash 的计算中，同时不会有太大的开销
*/
static final int hash(Object key) {
    int h;
    return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
}

// 重点的 putVal 逻辑
final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
               boolean evict) {Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
    // 如果 table 为 null 或者 0，则进行 resize()操作  resize()方法在下面再说
    if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
        n = (tab = resize()).length;
    // 确定插入 table 的位置，算法是(n - 1) & hash，在 n 为 2 的幂时，相当于除模取余操作。(这也是为什么长度要取 2 的幂次方的原因之一)
    if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
        tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
        
    // 在 table 的 i 位置发生 hash 碰撞或者除模取余后相同结果，有两种情况：// 1、key 值是一样的，就替换成 value 值
    // 2、key 值不一样的有两种处理方式：a、存储在 i 位置的链表(链表长度达到 8 时转成红黑树); b、存储在红黑树中
    else {
        Node<K,V> e; K k;
        // key 值是一样的，替换 value 值
        if (p.hash == hash &&
            ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
            e = p;
        // 是红黑树结构就 putTreeVal
        else if (p instanceof TreeNode)
            e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
        else {
            // 不是 TreeNode, 即为链表, 遍历链表并且去跟链表的每一个 key 做比较
            for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
                // 直到链表的下一个节点为 null，就进去新建个节点
                if ((e = p.next) == null) {p.next = newNode(hash, key, value, null);
                    // 根据 binCount 去记录链表的长度，超过 8 就转红黑树
                    if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
                        treeifyBin(tab, hash);
                    break;
                }
                if (e.hash == hash &&
                    ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                    break;
                p = e;
            }
        }
        if (e != null) { // existing mapping for key
            V oldValue = e.value;
            if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
                e.value = value;
            afterNodeAccess(e);
            return oldValue;
        }
    }
    ++modCount;
    if (++size > threshold)
        resize();
    afterNodeInsertion(evict);
    return null;
}

final Node<K,V>[] resize() {
    // 保存当前 table
    Node<K,V>[] oldTab = table;
    // 保存当前 table 的容量
    int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;
    // 保存当前阈值
    int oldThr = threshold;
    // 初始化新的 table 容量和阈值 
    int newCap, newThr = 0;
    /*
      1. resize（）函数在 size > threshold 时被调用。oldCap 大于 0 代表原来的 table 表非空，oldCap 为原表的大小，oldThr（threshold）为 oldCap × load_factor
   */
    if (oldCap > 0) {
        // 若旧 table 容量已超过最大容量，更新阈值为 Integer.MAX_VALUE（最大整形值），这样以后就不会自动扩容了。if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
            threshold = Integer.MAX_VALUE;
            return oldTab;
        }
        // 容量翻倍，使用左移，效率更高
        else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&
                 oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
            newThr = oldThr << 1; // double threshold
    }
    /*
       2. resize（）函数在 table 为空被调用。oldCap 小于等于 0 且 oldThr 大于 0，代表用户创建了一个 HashMap，但是使用的构造函数为      
       HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) 或 HashMap(int initialCapacity)
       或 HashMap(Map<? extends K, ? extends V> m)，导致 oldTab 为 null，oldCap 为 0，oldThr 为用户指定的 HashMap 的初始容量。*/
    else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold
        // 当 table 没初始化时，threshold 持有初始容量。还记得 threshold = tableSizeFor(t)么;
        newCap = oldThr;
    /*
        3. resize（）函数在 table 为空被调用。oldCap 小于等于 0 且 oldThr 等于 0，用户调用 HashMap()构造函数创建的 HashMap，所有值均采用默认值，oldTab（Table）表为空，oldCap 为 0，oldThr 等于 0，*/
    else {               // zero initial threshold signifies using defaults
        newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;
        newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);
    }
    // 新阈值为 0
    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"})
    // 初始化 table
    Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap];
    table = newTab;
    if (oldTab != null) {
        // 把 oldTab 中的节点 reHash 到 newTab 中去
        for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {
            Node<K,V> e;
            if ((e = oldTab[j]) != null) {oldTab[j] = null;
                // 若节点是单个节点，直接在 newTab 中进行重定位
                if (e.next == null)
                    newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;
                // 若节点是 TreeNode 节点，要进行 红黑树的 rehash 操作
                else if (e instanceof TreeNode)
                    ((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);
                // 若是链表，进行链表的 rehash 操作
                else { // preserve order
                    Node<K,V> loHead = null, loTail = null;
                    Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null;
                    Node<K,V> next;
                    // 将同一桶中的元素根据 (e.hash & oldCap) 是否为 0 进行分割（代码后有图解，可以回过头再来看），分成两个不同的链表，完成 rehash
                    do {
                        next = e.next;
                        // 根据算法 e.hash & oldCap 判断节点位置 rehash 后是否发生改变
                        // 最高位 ==0，这是索引不变的链表。if ((e.hash & oldCap) == 0) {if (loTail == null)
                                loHead = e;
                            else
                                loTail.next = e;
                            loTail = e;
                        }
                        // 最高位 ==1（这是索引发生改变的链表）else {if (hiTail == null)
                                hiHead = e;
                            else
                                hiTail.next = e;
                            hiTail = e;
                        }
                    } while ((e = next) != null);
                    // 原 bucket 位置的尾指针不为空(即还有 node)
                    if (loTail != null) {
                        // 链表最后得有个 null
                        loTail.next = null;
                        // 链表头指针放在新桶的相同下标 (j) 处
                        newTab[j] = loHead;
                    }
                    if (hiTail != null) {
                        hiTail.next = null;
                        // rehash 后节点新的位置一定为原来基础上加上 oldCap，具体解释看下图
                        newTab[j + oldCap] = hiHead;
                    }
                }
            }
        }
    }
    return newTab;
}

② 特点

1. HashMap 的实现 不是线程安全 的。它的key、value 都可以为 null。
2. 初始化时加载因子为 0.75，有 put 操作时将容量初始化为 16(哈希表的桶数，即 entry 的数量)
3. 当哈希表中的条目数超出了加载因子与容量的乘积时(如 0.75 * 16)，则要对该哈希表进行resize 操作（同时会进行rehash 操作，重建内部数据结构），从而哈希表将具有两倍的容量。
4. HashMap 是通过拉链法实现的散列表。本质上是 数组 + 单向链表 + 红黑树的数据结构(如下图)。
5. HashMap 使用 链表法 避免哈希冲突 (相同 hash 值)，当链表长度大于 TREEIFY_THRESHOLD（默认为 8，设为 8 是因为达到 8 的概率为0.00000006，概率低）时，将链表转换为红黑树( 在转红黑树之前会再进行一次判断 map 的容量是否小于 64，是的话不会进行转红黑树，而是先 resize()扩容)，如果之后小于 UNTREEIFY_THRESHOLD（默认为 6）时，又会转回链表以达到性能均衡。

图 1 HashMap 的数据结构

2、LinkedHashMap

① 关键源码

// LinkedHashMap 继承了 HashMap，实现 Map 接口
public class LinkedHashMap<K,V>
    extends HashMap<K,V>
    implements Map<K,V>

// 初始化是默认容量 16，加载因子 0.75. 并且设定了 accessOrder = false，表示默认按照插入顺序进行遍历
public LinkedHashMap() {super();
    accessOrder = false;
}

② 特点

1. LinkedHashMap 是基于 HashMap 实现的一种集合，具有 HashMap 集合上面所说的所有特点
2. 除了 HashMap 无序的特点，LinkedHashMap 是有序的
3. LinkedHashMap 在 HashMap 的基础上单独维护了一个具有所有数据的双向链表，该链表保证了元素迭代的顺序
4. 数据结构图

三、Set

1、HashSet

① 关键源码

// HashSet 实现了 Cloneable 接口和 Serializable 接口，分别用来支持克隆以及支持序列化。还实现了 Set 接口，该接口定义了 Set 集合类型的一套规范
public class HashSet<E>
    extends AbstractSet<E>
    implements Set<E>, Cloneable, java.io.Serializable
    
// HashSet 集合中的内容是通过 HashMap 数据结构来存储的
private transient HashMap<E,Object> map;
// 向 HashSet 中添加数据，数据在上面的 map 结构是作为 key 存在的，而 value 统一都是 PRESENT
private static final Object PRESENT = new Object();

// 初始化时就是 new 一个 HashMap
public HashSet() {map = new HashMap<>();
}

// 将 e 作为 key，PRESENT 作为 value 插入到 map 集合中，如果 e 不存在，则插入成功返回 true; 如果存在，则返回 false
public boolean add(E e) {return map.put(e, PRESENT)==null;
}

② 特点

1. HashSet 是一个没有重复元素的集合。
2. 它是由 HashMap 实现的，不保证元素的顺序，而且 HashSet 允许使用 null 元素。