高清圖解28個高并發之數據結構/數據結構場景匹配技巧分析
Java 集合以 ArrayList、LinkedList、HashSet、TreeSet 和 HashMap 等組件為核心，構筑了強大而靈活的數據結構體系。這些組件精心設計以滿足不同的性能和功能需求，如 ArrayList 的動態數組支持快速隨機訪問，而 LinkedList 的雙向鏈表結構則擅長于頻繁的插入和刪除操作。HashSet 基于哈希表提供高效的元素查找，TreeSet 則通過紅黑樹維持元素排序。對于多線程環境，CopyOnWriteArraySet 和 ConcurrentHashMap 等并發集合保證了線程安全，同時優化了讀寫性能。這些設計精妙的組件，不僅提升了數據處理的效率，也簡化了復雜問題的解決方案，了解他的設計就掌握了他的原理，本篇注重設計。
1、JDK集合數據結構范圍
1.1. 列表（List）
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- ArrayList: 基于動態數組實現，支持快速隨機訪問。
- LinkedList: 基于雙向鏈表實現，適合頻繁的插入和刪除操作。
- CopyOnWriteArrayList: 線程安全的變體，寫操作時復制數組。
1.2. 集合（Set）
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- HashSet: 基于 HashMap 實現，保證元素唯一性。
- LinkedHashSet: 哈希表和鏈表實現，維護元素插入順序。
- TreeSet: 基于紅黑樹，元素處于排序狀態。
- CopyOnWriteArraySet: 線程安全的變體，寫操作時復制數組。
1.3. 隊列（Queue）
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- LinkedListQueue (作為隊列使用時): 支持先進先出（FIFO）。
- ArrayDeque: 雙端隊列，支持快速插入和刪除。
- PriorityQueue: 支持優先級排序的隊列。
- ConcurrentLinkedQueue: 線程安全的無界隊列。
- BlockingQueue: 支持阻塞操作的隊列接口，具體實現包括：
ArrayBlockingQueue: 有界阻塞隊列。
LinkedBlockingQueue: 基于鏈表結構的阻塞隊列。
PriorityBlockingQueue: 具有優先級的阻塞隊列。
SynchronousQueue: 不存儲元素的阻塞隊列，主要用于任務竊取。
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1.4. 雙端隊列（Deque）
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- ArrayDeque: 基于動態數組，實現雙向隊列。
- LinkedList (作為雙端隊列使用時): 基于鏈表，實現雙向隊列。
1.5. 映射（Map）
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- HashMap: 基于哈希表，存儲鍵值對。
- LinkedHashMap: 哈希表加鏈表，維護插入順序。
- TreeMap: 基于紅黑樹，鍵處于排序狀態。
- Hashtable: 古老的 Map 實現，線程安全。
- ConcurrentHashMap: 線程安全的 HashMap 實現。
- ConcurrentSkipListMap: 線程安全的 TreeMap 實現。
- IdentityHashMap: 使用 == 比較鍵的身份，而不是使用 equals() 方法。
- WeakHashMap: 鍵是弱引用，適合緩存使用。
1.6. 其他
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- Vector: 古老的動態數組實現，線程安全。
- Stack: 古老的棧實現，可以使用 Vector 或 Deque 實現。
- Properties: 用于處理配置文件的集合類。
2、集合數據結構設計與分析
2.1 ArrayList
ArrayList 是 Java 集合框架中的一個非常核心的類，實現了 List 接口。以下是 ArrayList 的設計：
設計思考：
- 需求場景：
在許多編程任務中，需要一個能夠動態增長和收縮的數組。例如，在實現數據集合、緩沖區管理、實現其他數據結構（如棧、隊列）等場景中，動態數組是非常有用的。
- 現有技術局限性：
傳統的數組類型在 Java 中是固定長度的，一旦創建，其大小不能改變，這限制了其在需要動態大小管理時的使用。
技術融合：
ArrayList 融合了動態數組的概念，提供了一個能夠根據需要自動調整大小的數組。
設計理念：
ArrayList 提供了一個能夠根據添加元素的數量動態增長的數組，同時保持了隨機訪問的能力，使其在執行索引位置的查找時非常高效。
實現方式：
ArrayList 內部使用一個可變大小的數組（默認為空，隨著元素添加自動擴容）來存儲元素，當數組容量不足以容納更多元素時，會自動創建一個更大的新數組，并將舊數組中的元素復制到新數組中。
2.1.1 數據結構
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圖說明：
- ArrayList:
Java 集合框架中的一個類，實現了 List 接口。
- Object[] elementData:
ArrayList 內部使用一個動態數組來存儲元素，這個數組的類型是 Object[]，可以存儲任何類型的對象。
當數組容量不足以存儲更多元素時， ArrayList 會自動進行擴容，通常是將數組大小增加到原來的1.5倍。
int size:
表示 ArrayList 中實際存儲的元素數量。
size 與 elementData 數組的 length 屬性不同， length 表示數組的總容量，而 size 表示當前存儲的元素個數。
2.1.2 執行流程
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圖說明：
- 初始化 ArrayList:
創建一個空的 ArrayList 或指定初始容量的 ArrayList。
- 檢查容量:
在添加元素前，檢查當前數組容量是否足夠。
添加元素:
嘗試將新元素添加到 ArrayList。
容量不足:
如果當前容量不足以容納新元素，進入擴容流程。
擴容:
創建一個新的數組，容量通常是原數組的1.5倍。
復制舊數組到新數組:
將舊數組中的所有元素復制到新數組中。
增加新元素:
在新數組中插入新元素。
獲取元素:
根據索引獲取元素。
索引檢查:
檢查索引是否在有效范圍內。
返回元素:
返回指定索引處的元素。
刪除元素:
刪除 ArrayList 中的指定元素。
移除指定索引元素:
將指定索引處的元素移除。
數組元素向前移動:
將移除元素之后的元素向前移動一位，填補空位。
2.2 LinkedList
LinkedList 在 Java 中是基于雙向鏈表實現的，它包含多個節點，每個節點都包含數據和兩個引用，分別指向前一個節點和后一個節點。以下是 LinkedList 的設計：
設計思考：
- 需求場景：
在許多編程任務中，需要一個可以快速進行插入和刪除操作的動態數組。例如，在實現棧、隊列、雙向隊列等數據結構時，這些操作非常常見。
- 現有技術局限性：
ArrayList 提供了快速的隨機訪問能力，但在進行插入和刪除操作時，可能需要移動數組中的大量元素，導致效率低下。
Vector 類似于 ArrayList，但它是線程安全的，但使用 synchronized 進行同步，導致并發性能較差。
技術融合：
LinkedList 結合了鏈表的插入和刪除效率高的特點，并提供了雙向鏈表的實現，允許從兩端快速地添加或移除元素。
設計理念：
LinkedList 通過使用鏈表結構，可以有效地進行插入和刪除操作，因為這些操作僅需要改變節點的指針，而不需要移動整個數組。
它還實現了 List 接口，提供了與 ArrayList 相同的接口，但具有不同的性能特性。
實現方式：
LinkedList 由一系列 Node 對象組成，每個 Node 包含數據和兩個引用（ previous 和 next），分別指向前一個和后一個節點。
2.2.1 數據結構
以下是 LinkedList 數據結構的主要特點：
- 鏈式存儲：元素在內存中不是連續存儲的，而是通過指針（引用）連接起來的。
- 節點結構：每個節點至少包含兩部分信息，一個是存儲數據的元素，另一個是指向同鏈表中下一個節點的引用。在雙向鏈表中，還會有一個指向前一個節點的引用。
- 動態大小： LinkedList 的大小是動態的，可以根據需要隨時插入或刪除節點。
- 允許空鏈表：可以創建一個不包含任何節點的空鏈表。
- 插入和刪除效率高：在鏈表的任意位置插入或刪除節點的操作時間復雜度為 O(1)，因為這些操作只涉及到節點的引用的改動。
- 訪問元素效率低：訪問特定索引位置的元素需要從頭節點開始遍歷鏈表，時間復雜度為 O(n)。
- 沒有空間浪費：與數組不同，鏈表不需要預先分配固定大小的存儲空間。
- 有序性：鏈表中的節點按照它們被插入的順序保持有序。
- 可以實現為雙向或循環鏈表：標準的 LinkedList 實現可以是雙向的，也可以是循環的（尾節點指向頭節點）。
2.2.1 執行流程
圖片
圖說明：
- 初始化 LinkedList:
創建一個空的 LinkedList 實例。
- 添加元素:
將新元素添加到 LinkedList。
刪除元素:
從 LinkedList 刪除指定的元素。
訪問元素:
根據索引訪問 LinkedList 中的元素。
遍歷 LinkedList:
通過節點間的鏈接順序遍歷整個 LinkedList。
檢查邊界條件:
在執行索引相關操作前，檢查索引是否在有效范圍內。
獲取節點:
獲取指定索引處的節點。
更新節點指針:
在添加或刪除元素時，更新節點間的指針。
返回節點數據:
返回指定節點的數據。
LinkedList 節點:
LinkedList 由一系列節點組成，每個節點包含前一個節點、后一個節點和節點數據。
Node prev:
節點中保存的對前一個節點的引用。
Node next:
節點中保存的對后一個節點的引用。
Node data:
節點中保存的數據。
2.3 CopyOnWriteArrayList
CopyOnWriteArrayList 在 Java 中是一個線程安全的變體數組列表，其特點是在修改（寫操作）時通過復制整個底層數組來實現，以此保證讀操作的線程安全和高性能。以下是 CopyOnWriteArrayList 的設計：
設計思考：
- 需求場景：
在多線程環境中，讀操作遠比寫操作頻繁，且對數據的實時性要求不是非常高的場景。例如，緩存系統、實時數據的訂閱發布模型等。
- 現有技術局限性：
傳統的線程安全實現，如 Vector 或通過 synchronized 同步代碼塊或方法，可能會因為寫操作導致的線程阻塞，嚴重影響并發性能。
技術融合：
CopyOnWriteArrayList 采用了寫時復制（Copy-On-Write）的策略，當進行寫操作（添加、刪除等）時，先復制整個數組，然后在新數組上進行操作，而讀操作則直接作用于原數組，從而提高了讀操作的性能。
設計理念：
利用了讀操作遠多于寫操作的特性，通過分離讀和寫操作，使得讀操作無需加鎖，從而提高了并發讀的性能。
實現方式：
內部使用一個數組來存儲元素，所有寫操作都會創建一個新的數組，并將修改應用于新數組，然后原子性地將內部數組引用指向新數組。
2.3.1 數據結構
圖片
圖說明：
- CopyOnWriteArrayList:
表示 CopyOnWriteArrayList 的實例。
- Object[] array:
CopyOnWriteArrayList 內部使用的一個數組 array 來存儲元素。這是原始數組，所有讀操作都訪問這個數組。
Object[] newArray:
寫操作時創建的新數組。當寫操作發生時，這個數組是原始數組的一個深拷貝。
寫操作:
包括添加、刪除或修改元素。寫操作不是在原始數組上進行，而是在新數組上進行。
工作原理：
- 讀操作:
多個讀線程可以同時訪問和遍歷 array，因為數組是不可變的。
- 寫操作:
當寫操作發生時（如添加、刪除或修改元素），寫線程首先會創建原始 array 的一個副本 newArray。
寫線程在 newArray 上進行添加、刪除或修改操作。
寫操作完成后，寫線程會原子性地將 CopyOnWriteArrayList 的內部數組引用指向 newArray。
數據一致性:
在寫操作進行時，讀線程仍然可以訪問舊的內部數組 array，從而保證了數據的一致性。
2.3.2 執行流程
圖片
圖說明：
- 初始化 CopyOnWriteArrayList:
創建一個空的 CopyOnWriteArrayList 實例。
- 內部數組 array:
CopyOnWriteArrayList 內部使用一個數組來存儲元素。
讀操作:
直接讀取內部數組的元素，是線程安全的，因為內部數組不可變。
寫操作:
包括添加、刪除和修改元素，需要創建內部數組的一個新副本。
復制數組:
在執行寫操作前，復制內部數組，以保證新元素的添加不會影響讀操作。
添加元素:
向 CopyOnWriteArrayList 添加新元素。
刪除元素:
從 CopyOnWriteArrayList 刪除元素。
修改元素:
修改 CopyOnWriteArrayList 中的元素。
數組拷貝:
創建內部數組的一個新副本，并在新副本上執行寫操作。
2.4 HashSet
HashSet 是 Java 集合框架中的一個基本成員，它是 java.util 包下的一個非常常用的集合類。以下是 HashSet 的設計：
設計思考：
- 需求場景：
在很多應用場景中，需要存儲不重復的元素，并且需要快速地添加、刪除和查找元素。
例如，在處理配置選項、用戶權限、郵件地址列表等場景時，確保元素的唯一性是非常重要的。
- 現有技術局限性：
ArrayList 和 LinkedList 雖然可以存儲元素，但它們需要線性時間來查找元素，且不保證元素的唯一性。
技術融合：
HashSet 基于 HashMap 實現，它結合了哈希表的快速查找特性來提供常數時間復雜度的添加、刪除和查找操作，同時保證了元素的唯一性。
設計理念：
HashSet 提供了一個不允許重復元素的數據結構，它使用哈希表的鍵來存儲元素，而不關心值。
這種設計使得 HashSet 在保證元素唯一性的同時，提供了高效的操作性能。
實現方式：
HashSet 的每個元素都作為 HashMap 的一個鍵存儲，而對應的值是一個固定的對象（通常是一個名為 PRESENT 的私有靜態對象）。
2.4.1 數據結構
圖片
圖說明：
- HashSet:
表示 HashSet 類的實例，用于存儲不重復的元素。
- HashMap:
HashSet 的內部實現基于 HashMap。
數組 (Buckets) :
HashMap 使用一個數組來存儲桶（Buckets），桶是用于存儲 Entry 對象的容器。
索引1, 索引2, 索引3:
表示數組中的具體索引位置，每個索引對應一個桶。
Entry (鏈表/紅黑樹) :
每個桶可以包含多個 Entry 對象，它們通過鏈表或紅黑樹形式連接。
鏈表 Entry:
在哈希沖突較少的情況下， Entry 對象通過鏈表連接。
紅黑樹 Entry:
當鏈表長度超過閾值時，鏈表可能會被轉換成紅黑樹以提高搜索效率。
2.4.2 執行流程
圖片
圖說明：
- 創建 HashSet 實例:
初始化 HashSet 對象。
- 添加元素:
將元素添加到 HashSet。
計算元素的hashCode:
調用元素的 hashCode() 方法計算其哈希碼。
確定數組索引位置:
根據哈希碼和數組長度確定數組索引位置。
處理哈希沖突:
如果索引位置已有元素，處理哈希沖突。
元素添加至鏈表/紅黑樹:
將新元素添加至對應索引的鏈表或紅黑樹中。
刪除元素:
從 HashSet 刪除元素。
計算元素的hashCode:
調用元素的 hashCode() 方法計算其哈希碼。
確定數組索引位置:
根據哈希碼和數組長度確定數組索引位置。
找到對應的哈希桶:
定位到數組中對應的哈希桶。
從鏈表/紅黑樹中刪除元素:
從對應索引的鏈表或紅黑樹中刪除元素。
遍歷 HashSet:
遍歷 HashSet 中的所有元素。
獲取數組:
獲取 HashSet 內部的數組。
遍歷每個桶:
遍歷數組的每個桶。
遍歷鏈表/紅黑樹:
遍歷桶內的鏈表或紅黑樹中的所有元素。
2.5 LinkedHashSet
LinkedHashSet 是 Java 集合框架中的一個成員，它結合了 HashSet 的快速查找特性和 LinkedList 的插入順序保持功能。以下是 LinkedHashSet 的設計：
設計思考：
- 需求場景：
在很多應用場景中，需要快速地插入、刪除和查找元素，同時也需要保持元素的插入順序。
例如，在處理用戶會話、緩存實現、任務調度等場景時，保持元素的添加順序是非常重要的。
- 現有技術局限性：
HashSet 提供了常數時間的添加、刪除和查找性能，但它不保持元素的插入順序。
TreeSet 保持了元素的排序順序，但不是插入順序，且它的性能不如 HashSet。
ArrayList 和 LinkedList 保持了插入順序，但它們的查找性能為線性時間復雜度。
技術融合：
為了結合 HashSet 的快速查找能力和 LinkedList 的插入順序保持能力， LinkedHashSet 應運而生。
設計理念：
LinkedHashSet 底層使用 HashMap 來存儲元素，保證了快速的查找性能。
同時，它在每個 HashMap 的條目上使用一個雙向鏈表來維護元素的插入順序。
實現方式：
LinkedHashSet 繼承自 HashSet，但重寫了 add、 iterator 等方法，以維護插入順序。
它在內部維護了與 HashMap 條目關聯的雙向鏈表的節點，這些節點鏈接了具有相同哈希值但插入順序不同的元素。
2.5.1 數據結構
圖片
圖說明：
- LinkedHashSet:
表示 LinkedHashSet 類的實例，它繼承自 HashSet 并維護元素的插入順序。
- HashMap:
LinkedHashSet 的實現基于 HashMap，用來存儲集合中的元素。
數組 (Buckets) :
HashMap 使用一個數組來存儲桶（Buckets），桶是用于存儲 Entry 對象的容器。
哈希桶:
每個桶內部使用鏈表來解決哈希沖突。
鏈表 Entry:
每個桶包含多個 Entry 對象，它們通過鏈表連接。
紅黑樹 Entry:
當鏈表長度超過閾值時，鏈表可能會被轉換成紅黑樹以提高搜索效率。
鏈表 節點1 和 鏈表 節點2:
表示鏈表中的節點，每個節點存儲著集合中的一個元素，并指向前一個和后一個節點，形成雙向鏈表。
元素:
存儲在 LinkedHashSet 中的最終數據。
2.5.2 執行流程
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圖說明：
- 創建 LinkedHashSet 實例:
初始化 LinkedHashSet 對象。
- 添加元素:
將元素添加到 LinkedHashSet。
計算元素的hashCode:
調用元素的 hashCode() 方法計算其哈希碼。
確定數組索引位置:
根據哈希碼和數組長度確定數組索引位置。
找到對應的哈希桶:
定位到數組中對應的哈希桶。
檢查哈希桶中的鏈表/紅黑樹:
檢查哈希桶中是否已有鏈表或紅黑樹結構。
處理哈希沖突:
如果桶中已有元素，處理哈希沖突。
元素添加至鏈表/紅黑樹:
將新元素添加至對應索引的鏈表或紅黑樹中。
刪除元素:
從 LinkedHashSet 刪除元素。
重新計算元素的hashCode:
調用元素的 hashCode() 方法計算其哈希碼。
確定刪除元素的數組索引位置:
根據哈希碼和數組長度確定數組索引位置。
找到刪除元素的哈希桶:
定位到數組中對應的哈希桶。
從鏈表/紅黑樹中刪除元素:
從對應索引的鏈表或紅黑樹中刪除元素。
遍歷 LinkedHashSet:
遍歷 LinkedHashSet 中的所有元素。
獲取數組:
獲取 LinkedHashSet 內部的數組。
遍歷每個桶:
遍歷數組的每個桶。
遍歷鏈表/紅黑樹:
遍歷桶內的鏈表或紅黑樹中的所有元素。
讀取元素:
讀取鏈表或紅黑樹中的元素。
2.6 TreeSet
TreeSet 是 Java 集合框架中的一個有序集合類，實現了 Set 接口。以下是 TreeSet 的設計：
設計思考：
- 需求場景：
在許多編程任務中，需要存儲不重復的元素，并且這些元素需要保持一定的順序，例如，自然排序或自定義排序順序。
例如，在處理需要排序的配置選項、用戶權限、需要按順序處理的任務列表等場景時，元素的排序順序是非常重要的。
- 現有技術局限性：
HashSet 提供了非常快的查找、添加和刪除操作，但它不保證元素的任何特定順序。
ArrayList 和 LinkedList 可以保持插入順序，但查找操作需要線性時間。
技術融合：
TreeSet 結合了 HashSet 的快速查找特性和 ArrayList/ LinkedList 的元素順序保持功能，但通過使用紅黑樹（一種自平衡的二叉搜索樹）實現，提供了有序的元素集合。
設計理念：
TreeSet 提供了一個不允許重復元素的數據結構，同時保證了元素處于排序狀態，可以進行有效的范圍查詢和排序操作。
實現方式：
TreeSet 內部使用 TreeMap 的實例來存儲元素，其中元素作為鍵，值是一個固定的虛擬對象（如 PRESENT），從而保證了元素的唯一性。
2.6.1 數據結構
圖片
圖說明：
- TreeSet:
表示 TreeSet 類的實例，它實現了 Set 接口，并保證元素處于排序狀態。
- TreeMap:
TreeSet 基于 TreeMap 實現，其中元素作為鍵存儲，而不關心值。
紅黑樹:
TreeMap 的底層數據結構是一個紅黑樹，它是一個自平衡的二叉搜索樹。
根節點:
紅黑樹的根節點，是樹的入口。
左子節點和右子節點:
表示紅黑樹節點的子節點。
元素A, 元素B, 元素C:
實際存儲在 TreeSet 中的數據。
2.6.2 執行流程
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圖說明：
- 添加元素：
計算元素的自然排序：根據元素的自然順序或提供的 Comparator 計算排序。
構建紅黑樹：TreeSet 基于紅黑樹數據結構，確保元素處于排序狀態。
確定插入位置：在紅黑樹中找到元素的插入位置。
插入元素到紅黑樹：將元素插入到紅黑樹中。
- 刪除元素：
計算元素的自然排序：根據元素的自然順序或提供的 Comparator 計算排序。
查找紅黑樹：在紅黑樹中查找要刪除的元素。
刪除元素從紅黑樹：從紅黑樹中刪除元素。
遍歷 TreeSet：
獲取紅黑樹根節點：獲取紅黑樹的根節點，開始遍歷。
遍歷紅黑樹節點：遍歷紅黑樹的每個節點。
讀取元素：從紅黑樹的節點中讀取元素。
2.7 CopyOnWriteArraySet
CopyOnWriteArraySet 是 Java 并發包 java.util.concurrent 中的一個集合類，它是 CopyOnWriteArrayList 的一個變體，用于維護一個線程安全的、動態的元素集合。以下是 CopyOnWriteArraySet 的設計：
設計思考：
- 需求場景：
在多線程環境中，讀操作頻繁而寫操作相對較少的場景，如緩存、實時數據集、事件監聽器集合等。
- 現有技術局限性：
傳統的線程安全集合，如 Collections.synchronizedSet 或 Hashtable，在讀多寫少的場景下可能因為寫操作導致的線程阻塞，影響性能。
技術融合：
CopyOnWriteArraySet 采用了寫時復制（Copy-On-Write）的策略，在讀操作遠多于寫操作的情況下，提高了讀操作的性能。
設計理念：
CopyOnWriteArraySet 利用了讀操作遠多于寫操作的特點，在讀操作時不需要加鎖，從而提高了并發讀的性能。
實現方式：
內部使用 CopyOnWriteArrayList 存儲元素，所有寫操作（添加、刪除等）都會創建一個新的數組副本，然后對新數組進行修改，最后原子性地將內部數組引用指向新數組。
2.7.1 數據結構
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圖說明
- CopyOnWriteArraySet：表示 CopyOnWriteArraySet 類的實例，它提供了線程安全的 Set 集合功能。
- CopyOnWriteArrayList：CopyOnWriteArraySet 基于 CopyOnWriteArrayList 實現，后者是線程安全的 ArrayList 實現。
- 內部數組：CopyOnWriteArrayList 初始的內部數組，用于存儲集合中的元素。
- 內部數組副本：當執行寫操作（如添加、刪除）時，CopyOnWriteArrayList 創建內部數組的一個副本。
- 新內部數組：寫操作完成后，CopyOnWriteArrayList 將內部數組引用指向新的數組副本。
- 元素1、元素2、元素n：表示存儲在 CopyOnWriteArraySet 中的實際數據。
2.7.1 執行流程
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圖說明
- 創建 CopyOnWriteArraySet 實例：初始化 CopyOnWriteArraySet 對象。
- 添加元素：將元素添加到 CopyOnWriteArraySet。
- 復制舊內部數組：為了添加元素，先復制當前的內部數組。
- 修改新內部數組副本：在數組的副本上添加元素。
- 將新內部數組副本設置為當前：將修改后的數組副本設置為當前數組，完成添加操作。
- 刪除元素：從 CopyOnWriteArraySet 刪除元素。
- 復制舊內部數組：為了刪除元素，先復制當前的內部數組。
- 修改新內部數組副本：在數組的副本上刪除元素。
- 將新內部數組副本設置為當前：將修改后的數組副本設置為當前數組，完成刪除操作。
- 遍歷 CopyOnWriteArraySet：遍歷 CopyOnWriteArraySet 中的所有元素。
- 讀取當前內部數組：讀取當前的內部數組，進行遍歷操作。
