Java中的集合，從上層接口上看分爲了兩類，Map和Collection。也就是說，我們平時接觸到的常用的集合，包括HashMap，ArrayList和HashSet等都直接或者間接的實現了這兩個接口之一。而Collection接口的子接口又包括了Set和List接口。這樣我們常見的Map，Set和List三大集合接口就出來了。接口類圖如下所示：
Map是和Collection並列的集合上層接口，沒有繼承關係；List和Set是Collection的子接口。
（1）Java中常見的集合
Java中的常見集合可以概括如下。
-
Map接口和Collection接口是所有集合框架的父接口
-
Collection接口的子接口包括：Set接口和List接口
-
Map接口的實現類主要有：HashMap、TreeMap、Hashtable、LinkedHashMap、ConcurrentHashMap以及Properties等
-
Set接口的實現類主要有：HashSet、TreeSet、LinkedHashSet等
-
List接口的實現類主要有：ArrayList、LinkedList、Stack以及Vector等
（2）HashMap和Hashtable的區別有哪些？
HashMap和Hashtable之間的區別可以總結如下。
-
HashMap沒有考慮同步，是線程不安全的；Hashtable使用了synchronized關鍵字，是線程安全的；
-
HashMap允許null作爲Key；Hashtable不允許null作爲Key，Hashtable的value也不可以爲null
解析：
這個算是針對HashMap的一個開胃小菜，既然說出了線程安全和不安全的區別，會接着考察線程安全的具體含義，如下所示：
HashMap是線程不安全的，可以舉一個例子
-
HashMap線程不安全主要是考慮到了多線程環境下進行擴容可能會出現HashMap死循環
-
Hashtable線程安全是由於其內部實現在put和remove等方法上使用synchronized進行了同步，所以對單個方法的使用是線程安全的。但是對多個方法進行複合操作時，線程安全性無法保證。 比如一個線程在進行get操作，一個線程在進行remove操作，往往會導致下標越界等異常。
既然說到了這裏，那麼我們來看看大家一直想說的Java集合快速失敗（fast-fail）機制是怎麼回事兒吧~
Java集合中的快速失敗（fast-fail）機制
快速失敗是Java集合的一種錯誤檢測機制，當多個線程對集合進行結構上的改變的操作時，有可能會產生fail-fast。
例如：
假設存在兩個線程（線程1、線程2），線程1通過Iterator在遍歷集合A中的元素，在某個時候線程2修改了集合A的結構（是結構上面的修改，而不是簡單的修改集合元素的內容），那麼這個時候程序就可能會拋出 ConcurrentModificationException異常，從而產生fast-fail快速失敗。
那麼快速失敗機制底層是怎麼實現的呢？
迭代器在遍歷時直接訪問集合中的內容，並且在遍歷過程中使用一個 modCount 變量。集合在被遍歷期間如果內容發生變化，就會改變modCount的值。當迭代器使用hashNext()/next()遍歷下一個元素之前，都會檢測modCount變量是否爲expectedModCount值，是的話就返回遍歷；否則拋出異常，終止遍歷。JDK源碼中的判斷大概是這樣的：
HashMap底層實現數據結構爲數組+鏈表的形式，JDK8及其以後的版本中使用了數組+鏈表+紅黑樹實現，解決了鏈表太長導致的查詢速度變慢的問題。大概結構如下圖所示：
HashMap的初始容量16，加載因子爲0.75，擴容增量是原容量的1倍。如果HashMap的容量爲16，一次擴容後容量爲32。HashMap擴容是指元素個數（包括數組和鏈表+紅黑樹中）過了16*0.75=12之後開始擴容。
HashMap的長度爲什麼是2的冪次方？
-
我們將一個鍵值對插入HashMap中，通過將Key的hash值與length-1進行&運算，實現了當前Key的定位，2的冪次方可以減少衝突（碰撞）的次數，提高HashMap查詢效率
-
如果length爲2的冪次方，則length-1 轉化爲二進制必定是11111……的形式，在與h的二進制與操作效率會非常的快，而且空間不浪費
-
如果length不是2的冪次方，比如length爲15，則length-1爲14，對應的二進制爲1110，在與h與操作，最後一位都爲0，而0001，0011，0101，1001，1011，0111，1101這幾個位置永遠都不能存放元素了，空間浪費相當大，更糟的是這種情況中，數組可以使用的位置比數組長度小了很多，這意味着進一步增加了碰撞的機率，減慢了查詢的效率！這樣就會造成空間的浪費。
接下來，我們來做一個簡單的總結：
總結：
也就是說2的N次冪有助於減少碰撞的機率，空間利用率比較大。這樣你就明白爲什麼第一次擴容會從16 ->32了吧？總不會再說32+1=33或者其餘答案了吧？至於加載因子，如果設置太小不利於空間利用，設置太大則會導致碰撞增多，降低了查詢效率，所以設置了0.75。
上邊介紹了HashMap在存儲空間不足的時候會進行擴容操作。那麼，我們接着來看HashMap中的存儲和擴容等相關知識點吧。
HasMap的存儲和獲取原理：
當調用put()方法傳遞鍵和值來存儲時，先對鍵調用hashCode()方法，返回的hashCode用於找到bucket位置來儲存Entry對象，也就是找到了該元素應該被存儲的桶中（數組）。當兩個鍵的hashCode值相同時，bucket位置發生了衝突，也就是發生了Hash衝突，這個時候，會在每一個bucket後邊接上一個鏈表（JDK8及以後的版本中還會加上紅黑樹）來解決，將新存儲的鍵值對放在表頭（也就是bucket中）。
當調用get方法獲取存儲的值時，首先根據鍵的hashCode找到對應的bucket，然後根據equals方法來在鏈表和紅黑樹中找到對應的值。
HasMap的擴容步驟：
HashMap裏面默認的負載因子大小爲0.75，也就是說，當Map中的元素個數（包括數組，鏈表和紅黑樹中）超過了16*0.75=12之後開始擴容。將會創建原來HashMap大小的兩倍的bucket數組，來重新調整map的大小，並將原來的對象放入新的bucket數組中。這個過程叫作rehashing，因爲它調用hash方法找到新的bucket位置。
但是，需要注意的是在多線程環境下，HashMap擴容可能會導致死循環。
前面我們介紹了在HashMap存儲的時候，會發生Hash衝突，那麼我們一起來看Hash衝突的解決辦法吧。
解決Hash衝突的方法有哪些？
-
拉鍊法 （HashMap使用的方法）
-
線性探測再散列法
-
二次探測再散列法
-
僞隨機探測再散列法
哪些類適合作爲HashMap的鍵？
String和Interger這樣的包裝類很適合做爲HashMap的鍵，因爲他們是final類型的類，而且重寫了equals和hashCode方法，避免了鍵值對改寫，有效提高HashMap性能。爲了計算hashCode()，就要防止鍵值改變，如果鍵值在放入時和獲取時返回不同的hashCode的話，那麼就不能從HashMap中找到你想要的對象。
擴展知識點：
在高級的算法中，還有一個一致性Hash算法，有能力和精力的同學可以去研究下“一致性Hash算法”，有所瞭解一致性Hash算法對於面試是一個很好的加分點。
（4）ConcurrentHashMap和Hashtable的區別？
ConcurrentHashMap結合了HashMap和Hashtable二者的優勢。HashMap沒有考慮同步，Hashtable考慮了同步的問題。但是Hashtable在每次同步執行時都要鎖住整個結構。
ConcurrentHashMap鎖的方式是稍微細粒度的，ConcurrentHashMap將hash表分爲16個桶（默認值），諸如get，put，remove等常用操作只鎖上當前需要用到的桶。
ConcurrentHashMap的具體實現方式(分段鎖)：
-
該類包含兩個靜態內部類MapEntry和Segment，前者用來封裝映射表的鍵值對，後者用來充當鎖的
![]()
- Segment是一種可重入的鎖ReentrantLock，每個Segment守護一個HashEntry數組裏得元素，當對HashEntry數組的數據進行修改時，必須首先獲得對應的Segment鎖。
![]()
總結：
本小節中，我們交流學習了Java基礎中的三大集合，重點闡述了HashMap相關的知識點。這裏鄭重提示，本小節所涉及到的內容幾乎是面試中的必現考察點。有能力的同學，最好是打開JDK的源碼，好好研究HashMap以及ConcurentHashMap的實現方式。當然如果你遇到問題，可以在評論區留言，我們可以一起探討學習，一起進步。
限於作者水平，文章中難免會有不妥之處。大家在學習過程中遇到我沒有表達清楚或者表述有誤的地方，歡迎隨時在文章下邊指出，我會及時關注，隨時改正。另外，大家有任何話題都可以在下邊留言，我們一起交流探討。
附圖：
集合的類圖：
HashMap的類圖結構：
![]()
![]()
Hashtable的類圖結構：
![]()
