容器小记

容器中的设计模式：

1. 迭代器模式；[例子：容器循环所使用的 Iterator 迭代器]
2. 设配器模式：简单的说就是将原本两个不相干的类联系起来（类似于充电器，连接插座和用电器，将电压变成电器匹配的量级）；[例子：Arrays.asList() 将数组转换成List]

默认长度 & 扩容大小：

1. List

	默认大小	默认扩容	备注
ArrayList	10	原来的1.5倍	由数组实现，因此支持快速随机访问；扩容操作需要将原数组整个复制到新数组中，代价很高；删除元素是将删除index后的元素复制到index的位置，代价很高；
Vector		原来的2倍	与ArrayList相似，但是使用了synchronized进行同步，是线程安全的

得到一个线程 安全的ArrayList替代方案：

① Collections.synchronizedList()

② concurrent 并发包下的 CopyOnWriteArrayList 类

CopyOnWriteArrayList :

1. 写操作在一个复制的数组上进行，读操作还是在原始数组中进行，读写分离，互不影响。 写操作需要加锁，防止并发写入时导致写入数据丢失。 写操作结束之后需要把原始数组指向新的复制数组。

2. 适用场景：CopyOnWriteArrayList 在写操作的同时允许读操作，大大提高了读操作的性能，因此很适合读多写少的应用场景。

   但是 CopyOnWriteArrayList 有其缺陷：

   • 内存占用：在写操作时需要复制一个新的数组，使得内存占用为原来的两倍左右；
   • 数据不一致：读操作不能读取实时性的数据，因为部分写操作的数据还未同步到读数组中。

   所以 CopyOnWriteArrayList 不适合内存敏感以及对实时性要求很高的场景。

LinkedList:

基于双向链表实现，使用 Node 存储链表节点信息。

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

链表不支持随机访问，但插入删除只需要改变指针。

HashMap:

参数	含义
capacity	table 的容量大小，默认为 16。需要注意的是 capacity 必须保证为 2 的 n 次方。
size	键值对数量。
threshold	size 的临界值，当 size 大于等于 threshold 就必须进行扩容操作。
loadFactor	装载因子，table 能够使用的比例，threshold = (int)(capacity* loadFactor)。

https://github.com/CyC2018/CS-Notes/blob/master/notes/Java%20%E5%AE%B9%E5%99%A8.md (源码分析：1.7为主)

https://github.com/Snailclimb/JavaGuide/blob/master/docs/java/collection/HashMap.md （详细讲解）

从 JDK 1.8 开始，一个桶存储的链表长度大于等于 8 时会将链表转换为红黑树。

这里需要注意：1.7 put方法在链表中采用头插法，即当数组位置相同，而key不同，就在这个链表的头部插入该元素；1.8中则是在链表尾部插入

为什么要从头插法改成尾插法？

A.因为头插法会造成死链，参考链接https://blog.csdn.net/chenyiminnanjing/article/details/82706942
B.JDK7用头插是考虑到了一个所谓的热点数据的点(新插入的数据可能会更早用到)，但这其实是个伪命题,因为JDK7中rehash的时候，旧链表迁移新链表的时候，如果在新表的数组索引位置相同，则链表元素会倒置(就是因为头插) 所以最后的结果 还是打乱了插入的顺序 所以总的来看支撑JDK7使用头插的这点原因也不足以支撑下去了 所以就干脆换成尾插 一举多得

与 Hashtable 的比较

• Hashtable 使用 synchronized 来进行同步。
• HashMap 可以插入键为 null 的 Entry。
• HashMap 的迭代器是 fail-fast 迭代器。
• HashMap 不能保证随着时间的推移 Map 中的元素次序是不变的。

ConcurrentHashMap：

存储结构

https://mp.weixin.qq.com/s/AHWzboztt53ZfFZmsSnMSw （详细讲解）

Java7 中 ConcruuentHashMap 使用的分段锁，也就是每一个 Segment 上同时只有一个线程可以操作，每一个 Segment 都是一个类似 HashMap 数组的结构，它可以扩容，它的冲突会转化为链表。但是 Segment 的个数一但初始化就不能改变。

Segment 继承自 ReentrantLock。

Java8 中的 ConcruuentHashMap 使用的 Synchronized 锁加 CAS 的机制。结构也由 Java7 中的 Segment 数组 + HashEntry 数组 + 链表 进化成了 Node 数组 + 链表 / 红黑树，Node 是类似于一个 HashEntry 的结构。它的冲突再达到一定大小时会转化成红黑树，在冲突小于一定数量时又退回链表。

JDK8之后，ConcurrentHashMap舍弃了ReentrantLock，而重新使用了synchronized。其原因大致有一下几点：

1. 加入多个分段锁浪费内存空间。
2. 生产环境中， map 在放入时竞争同一个锁的概率非常小，分段锁反而会造成更新等操作的长时间等待。
3. 为了提高 GC 的效率

新的ConcurrentHashMap中使用synchronized关键字+CAS操作保证了线程安全；详细信息 https://my.oschina.net/pingpangkuangmo/blog/817973#h2_12

static final class Segment<K,V> extends ReentrantLock implements Serializable {

    private static final long serialVersionUID = 2249069246763182397L;

    static final int MAX_SCAN_RETRIES =
        Runtime.getRuntime().availableProcessors() > 1 ? 64 : 1;

    transient volatile HashEntry<K,V>[] table;

    transient int count;

    transient int modCount;

    transient int threshold;

    final float loadFactor;
}

默认的并发级别为 16，也就是说默认创建 16 个 Segment。

size 操作

每个 Segment 维护了一个 count 变量来统计该 Segment 中的键值对个数。

/**
 * The number of elements. Accessed only either within locks
 * or among other volatile reads that maintain visibility.
 */
transient int count;

在执行 size 操作时，需要遍历所有 Segment 然后把 count 累计起来。

ConcurrentHashMap 在执行 size 操作时先尝试不加锁，如果连续两次不加锁操作得到的结果一致，那么可以认为这个结果是正确的。

尝试次数使用 RETRIES_BEFORE_LOCK 定义，该值为 2，retries 初始值为 -1，因此尝试次数为 3。

如果尝试的次数超过 3 次，就需要对每个 Segment 加锁。

/**
 * Number of unsynchronized retries in size and containsValue
 * methods before resorting to locking. This is used to avoid
 * unbounded retries if tables undergo continuous modification
 * which would make it impossible to obtain an accurate result.
 */
static final int RETRIES_BEFORE_LOCK = 2;

public int size() {
    // Try a few times to get accurate count. On failure due to
    // continuous async changes in table, resort to locking.
    final Segment<K,V>[] segments = this.segments;
    int size;
    boolean overflow; // true if size overflows 32 bits
    long sum;         // sum of modCounts
    long last = 0L;   // previous sum
    int retries = -1; // first iteration isn't retry
    try {
        for (;;) {
            // 超过尝试次数，则对每个 Segment 加锁
            if (retries++ == RETRIES_BEFORE_LOCK) {
                for (int j = 0; j < segments.length; ++j)
                    ensureSegment(j).lock(); // force creation
            }
            sum = 0L;
            size = 0;
            overflow = false;
            for (int j = 0; j < segments.length; ++j) {
                Segment<K,V> seg = segmentAt(segments, j);
                if (seg != null) {
                    sum += seg.modCount;
                    int c = seg.count;
                    if (c < 0 || (size += c) < 0)
                        overflow = true;
                }
            }
            // 连续两次得到的结果一致，则认为这个结果是正确的
            if (sum == last)
                break;
            last = sum;
        }
    } finally {
        if (retries > RETRIES_BEFORE_LOCK) {
            for (int j = 0; j < segments.length; ++j)
                segmentAt(segments, j).unlock();
        }
    }
    return overflow ? Integer.MAX_VALUE : size;
}

JDK 1.8 的改动

JDK 1.7 使用分段锁机制来实现并发更新操作，核心类为 Segment，它继承自重入锁 ReentrantLock，并发度与 Segment 数量相等。

JDK 1.8 使用了 CAS 操作来支持更高的并发度，在 CAS 操作失败时使用内置锁 synchronized。

并且 JDK 1.8 的实现也在链表过长时会转换为红黑树。

LinkedHashMap：

继承自 HashMap，因此具有和 HashMap 一样的快速查找特性。

内部维护了一个双向链表，用来维护插入顺序或者 LRU 顺序。

/**
 * The head (eldest) of the doubly linked list.
 */
transient LinkedHashMap.Entry<K,V> head;

/**
 * The tail (youngest) of the doubly linked list.
 */
transient LinkedHashMap.Entry<K,V> tail;

accessOrder 决定了顺序，默认为 false，此时维护的是插入顺序。

final boolean accessOrder;

LinkedHashMap 最重要的是以下用于维护顺序的函数，它们会在 put、get 等方法中调用。

void afterNodeAccess(Node<K,V> p) { }
void afterNodeInsertion(boolean evict) { }

afterNodeAccess()

当一个节点被访问时，如果 accessOrder 为 true，则会将该节点移到链表尾部。也就是说指定为 LRU 顺序之后，在每次访问一个节点时，会将这个节点移到链表尾部，保证链表尾部是最近访问的节点，那么链表首部就是最近最久未使用的节点。

void afterNodeAccess(Node<K,V> e) { // move node to last
    LinkedHashMap.Entry<K,V> last;
    if (accessOrder && (last = tail) != e) {
        LinkedHashMap.Entry<K,V> p =
            (LinkedHashMap.Entry<K,V>)e, b = p.before, a = p.after;
        p.after = null;
        if (b == null)
            head = a;
        else
            b.after = a;
        if (a != null)
            a.before = b;
        else
            last = b;
        if (last == null)
            head = p;
        else {
            p.before = last;
            last.after = p;
        }
        tail = p;
        ++modCount;
    }
}

afterNodeInsertion()

在 put 等操作之后执行，当 removeEldestEntry() 方法返回 true 时会移除最晚的节点，也就是链表首部节点 first。

evict 只有在构建 Map 的时候才为 false，在这里为 true。

void afterNodeInsertion(boolean evict) { // possibly remove eldest
    LinkedHashMap.Entry<K,V> first;
    if (evict && (first = head) != null && removeEldestEntry(first)) {
        K key = first.key;
        removeNode(hash(key), key, null, false, true);
    }
}

removeEldestEntry() 默认为 false，如果需要让它为 true，需要继承 LinkedHashMap 并且覆盖这个方法的实现，这在实现 LRU 的缓存中特别有用，通过移除最近最久未使用的节点，从而保证缓存空间足够，并且缓存的数据都是热点数据。

protected boolean removeEldestEntry(Map.Entry<K,V> eldest) {
    return false;
}

LRU 缓存

以下是使用 LinkedHashMap 实现的一个 LRU 缓存：

• 设定最大缓存空间 MAX_ENTRIES 为 3；
• 使用 LinkedHashMap 的构造函数将 accessOrder 设置为 true，开启 LRU 顺序；
• 覆盖 removeEldestEntry() 方法实现，在节点多于 MAX_ENTRIES 就会将最近最久未使用的数据移除。

class LRUCache<K, V> extends LinkedHashMap<K, V> {
    private static final int MAX_ENTRIES = 3;

    protected boolean removeEldestEntry(Map.Entry eldest) {
        return size() > MAX_ENTRIES;
    }

    LRUCache() {
        super(MAX_ENTRIES, 0.75f, true);
    }
}
public static void main(String[] args) {
    LRUCache<Integer, String> cache = new LRUCache<>();
    cache.put(1, "a");
    cache.put(2, "b");
    cache.put(3, "c");
    cache.get(1);
    cache.put(4, "d");
    System.out.println(cache.keySet());
}
[3, 1, 4]