Java集合框架浅析

集合框架示图

Collection接口和Map接口 方法API介绍

Collection接口：

• boolean add(E e) ：添加元素到集合中
• boolean addAll(Collection<? extends E> c) ： 将指定 collection 中的所有元素都添加到此 collection 中（可选操作）。
• void clear() ： 移除此 collection 中的所有元素（可选操作）。
• boolean contains(Object o) ：如果此 collection 包含指定的元素，则返回 true。
• boolean containsAll(Collection<?> c) ： 如果此 collection 包含指定 collection 中的所有元素，则返回 true。
• boolean equals(Object o) ： 比较此 collection 与指定对象是否相等。
• int hashCode() ：返回此 collection 的哈希码值。
• boolean isEmpty() ： 如果此 collection 不包含元素，则返回 true。
• Iterator
• boolean remove(Object o) ： 从此 collection 中移除指定元素的单个实例，如果存在的话（可选操作）。
• boolean removeAll(Collection<?> c)：移除此 collection 中那些也包含在指定 collection 中的所有元素（可选操作）。
• boolean retainAll(Collection<?> c) ：仅保留此 collection 中那些也包含在指定 collection 的元素（可选操作）。
• int size() ：返回此 collection 中的元素数。
• Object[] toArray() ：返回包含此 collection 中所有元素的数组。
• default Spliterator
• default Stream

Map接口：

• void clear() ：从此映射中移除所有映射关系（可选操作）。
• boolean containsKey(Object key) ：如果此映射包含指定键的映射关系，则返回 true。
• boolean containsValue(Object value) ：如果此映射将一个或多个键映射到指定值，则返回 true。
• Set<Map.Entry<K,V>> entrySet() ：返回此映射中包含的映射关系的 Set 视图。
• boolean equals(Object o) ：比较指定的对象与此映射是否相等。
• V get(Object key) ：返回指定键所映射的值；如果此映射不包含该键的映射关系，则返回 null。
• int hashCode() ：返回此映射的哈希码值。
• boolean isEmpty() ：如果此映射未包含键-值映射关系，则返回 true。
• Set
• V put(K key, V value) ：将指定的值与此映射中的指定键关联（可选操作）。
• void putAll(Map<? extends K,? extends V> m) ：从指定映射中将所有映射关系复制到此映射中（可选操作）。
• V remove(Object key) ：如果存在一个键的映射关系，则将其从此映射中移除（可选操作）。
• int size() ：返回此映射中的键-值映射关系数。

常用集合

• List：ArrayList、LinkedList、Vector
• Map：TreeMap、CurrentHashMap、HashTable
• Set：HashSet、TreeSet

集合原理详解

List集合

ArrayList

说明：

ArrayList底层基于对象数组来实现，默认的容量是10，超过该容量后会按照原来的1.5倍再加1来去扩容。
特点：查询和更加速度快，删除添加慢，有序排列

构造器：

    //对象数组
    private transient Object[] elementData;

    //默认构造器
    public ArrayList() {
        this(10); //默认容量为10
    }

    //指定容量构造器
    public ArrayList(int initialCapacity) {
       super();
       if (initialCapacity < 0){
           throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+ initialCapacity);
       }
       this.elementData = new Object[initialCapacity]; //生成一个长度为10的Object类型的数组
    }

    //集合复制构造器
    public ArrayList(Collection<? extends E> c) {
        elementData = c.toArray();   //返回包含此 collection 中所有元素的数组
        size = elementData.length;   //得到该数组的长度

        if (elementData.getClass() != Object[].class){
            //如果elementData数组不是Object[].class类型，则进行复制操作，返回包含相同元素和长度的Object类型的数组
            elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class);
        }
    }

add方法：

    //元素添加 size：初始化大小是一开始对象数组的长度，记录当前数组长度
    public boolean add(E e) {
        ensureCapacity(size + 1);  //判断是否需要扩容
        elementData[size++] = e;   //将元素添加到对象数组最后
        return true;
    }

    //将元素添加到指定位置
    public void add(int index, E element) {
        //如果指定的角标大于或者小于当前对象数组长度，抛出角标越界异常
        if (index > size || index < 0)
            throw new IndexOutOfBoundsException("Index: "+index+", Size: "+size);
        ensureCapacity(size+1);  // 判断是否要扩容
        //将index这位置空出，index后面的元素全部后移一位
        System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,size - index);
        elementData[index] = element; //将要添加的元素放到指定的数组下标处
        size++;
    }

    //判断当前对象数组是否需要扩容，minCapacity当前对象数组最少应该有的容量值
    public void ensureCapacity(int minCapacity) {
       modCount++;
       int oldCapacity = elementData.length;  //原数组的容量
       if (minCapacity > oldCapacity) {
           Object oldData[] = elementData;
           //定义新数组的容量，为原数组容量的1.5倍+1
           int newCapacity = (oldCapacity * 3)/2 + 1;
           //如果扩容后还是不够当前对象数组最少应该有的容量值，那么直接用该容量值作为新数组的容量值
           if (newCapacity < minCapacity)
            newCapacity = minCapacity;
           elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);  //复制指定的数组，返回新数组的容量为newCapacity
       }
   }

get方法：

    //根据index获取元素
    public E get(int index) {
        RangeCheck(index); //检查传入的指定下标是否合法
        return (E) elementData[index];  //返回数组下标为index的数组元素
    }

    //判断指定的index是否越界
    private void RangeCheck(int index) {
        if (index >= size)
            throw new IndexOutOfBoundsException(
            "Index: "+index+", Size: "+size);
    }

remove方法：

    //移除指定index元素并返回该元素
    public E remove(int index) {
        RangeCheck(index);  //检查index是否越界

        modCount++;
        E oldValue = (E) elementData[index];  //获取指定index的数组元素

        int numMoved = size - index - 1;  //要移动的元素个数
        if (numMoved > 0)
            //参数1：原数组 参数2：原数组初始角标 参数3：目标数组 参数4：目标数组的其实角标 参数5：复制的个数
            System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index, numMoved);  //空出index位置，后面全部元素左移动一位
        elementData[--size] = null; //将引用置空，让gc进行回收

        return oldValue;
    }

    //移除指定的元素
    public boolean remove(Object o) {

        //插入的值为null时，移除数组中的null值元素
        if (o == null) {
            for (int index = 0; index < size; index++)
                if (elementData[index] == null) {  //移除首次出现的null
                    fastRemove(index);
                    return true;
                }
        } else {
            for (int index = 0; index < size; index++)
                if (o.equals(elementData[index])) { //注意:Object的equals方法比较的是内存地址
                    fastRemove(index);
                    return true;
                }
            }
        return false;
    }

    //移除非null元素
    private void fastRemove(int index) {  //移除指定位置的元素,实现方法类似remove(int i)
        modCount++;
        int numMoved = size - index - 1;
        if (numMoved > 0)
            //空出index位置，后面全部元素左移动一位
            System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,
                             numMoved);
        elementData[--size] = null;  //将引用置空，让gc进行回收
    }

clone方法-浅克隆：

    public Object clone() {
       try {
           ArrayList<E> v = (ArrayList<E>) super.clone();  //调用Object类的clone方法返回一个ArrayList对象
           v.elementData = Arrays.copyOf(elementData, size);  //复制目标数组
           v.modCount = 0;
           return v;
       } catch (CloneNotSupportedException e) {
           // this shouldn‘t happen, since we are Cloneable
           throw new InternalError();
       }
    }

LinkedList

说明：

LinkedList底层基于双向链表实现，可以实现双向链表，双端队列和栈等数据结构
特点：删除添加快，查询和更加速度慢（不支持高效的随机元素访问），有序排列

基本数据结构：

    //节点类
    //实现双向链表
    private static class Node<E> {
        E item;          //当前节点元素
        Node<E> next;   //下一个元素
        Node<E> prev;   //上一个元素

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

    //add get remove set方法 均基于该方法
    Node<E> node(int index) {

        //二分法查找
        if (index < (size >> 1)) { //左边
            Node<E> x = first;
            for (int i = 0; i < index; i++)
                x = x.next;
            return x;
        } else { //右边
            Node<E> x = last;
            for (int i = size - 1; i > index; i--)
                x = x.prev;
            return x;
        }

}
    

add方法：

    transient int size = 0;  //当前集合大小
    transient Node<E> first; //链头
    transient Node<E> last;  //链尾

    //将元素添加到链头
    public void addFirst(E e) {
        linkFirst(e);
    }

    //将元素添加到链尾
    public void addLast(E e) {
        linkLast(e);
    }

    //将元素添加到链头实现
    private void linkFirst(E e) {
        final Node<E> f = first; //获取到链头
        //参数1：上一个节点 参数2：当前节点元素 参数3：下一个节点
        final Node<E> newNode = new Node<>(null, e, f);
        first = newNode; //将包含当前元素的节点设置为链头
        if (f == null)
            //如果这是f为null（表示这是集合是第一次添加元素），则当前节点即使链头也是链尾，前后节点都为null
            last = newNode;
        else
            //将新增的节点赋给链头的prev，即代替当前链头成为新的链头
            f.prev = newNode;
        size++;
        modCount++;
    }

    //将元素添加到链尾实现
    private void linkLast(E e) {
        final Node<E> l = last; //获取到链尾
        final Node<E> newNode = new Node<>(l, e, null); //当前节点
        last = newNode;
        if (l == null)
             //如果这是l为null（表示这是集合是第一次添加元素），则当前节点即使链头也是链尾，前后节点都为null
            first = newNode;
        else
            //将新增的节点赋给链尾的next，即代替当前链尾成为新的链尾
            l.next = newNode;
        size++;
        modCount++;
    }

add方法 - jdk 1.6：

   //区别：添加成功返回boolean值
    public boolean offerFirst(E e) {
        addFirst(e);
        return true;
    }

    public boolean offerLast(E e) {
        addLast(e);
        return true;
    }   

get方法：

    //根据索引获取 ： 二分查找
    public E get(int index) {
        checkElementIndex(index);
        return node(index).item;
    }

    //获取链头
    public E getFirst() {
        final Node<E> f = first;
        if (f == null)
            throw new NoSuchElementException();
        return f.item;
    }

    //获取链尾
    public E getLast() {
        final Node<E> l = last;
        if (l == null)
            throw new NoSuchElementException();
        return l.item;
    }   

get方法 - jdk 1.6：

    区别：如果获取的值为null则返回null不抛异常
    public E peekFirst() {
        final Node<E> f = first;
        return (f == null) ? null : f.item;
     }

    public E peekLast() {
        final Node<E> l = last;
        return (l == null) ? null : l.item;
    }

remove方法：

    //移除链头节点并返回链头元素
    public E removeFirst() {
        final Node<E> f = first;
        if (f == null)
            throw new NoSuchElementException();
        return unlinkFirst(f);
    }

    //移除链尾节点并返回链尾元素
    public E removeLast() {
        final Node<E> l = last;
        if (l == null)
            throw new NoSuchElementException();
        return unlinkLast(l);
    }

    //移除链头节点并返回链头元素实现
    private E unlinkFirst(Node<E> f) {
        final E element = f.item; //获取到链头中的元素对象
        final Node<E> next = f.next; //获取到链头的next节点
        //置空引入，让gc回收对象
        f.item = null;
        f.next = null;
        //用当前链头的next节点来代替当前链头成为新的链头
        first = next;
        //next为null表示当前几个只有一个元素，即上下节点都为null
        if (next == null)
            last = null;
        else
            next.prev = null;
        size--;
        modCount++;
        return element;
    }

    //移除链尾节点并返回链尾元素实现
    private E unlinkLast(Node<E> l) {
        final E element = l.item;
        final Node<E> prev = l.prev;
        l.item = null;
        l.prev = null; // help GC
        last = prev;
        if (prev == null)
            first = null;
        else
            prev.next = null;
        size--;
        modCount++;
        return element;
    }

remove方法 - jdk 1.6：

    区别：不抛异常返回null
    public E pollFirst() {
        final Node<E> f = first;
        return (f == null) ? null : unlinkFirst(f);
    }

    public E pollLast() {
        final Node<E> l = last;
        return (l == null) ? null : unlinkLast(l);
    }

LinkedList实现Stack：

    //jdk 1.6
    public E pollFirst() {
        final Node<E> f = first;
        return (f == null) ? null : unlinkFirst(f);
    }

    //jdk 1.6
    public E pollLast() {
        final Node<E> l = last;
        return (l == null) ? null : unlinkLast(l);
    }

    public void push(E e) {
        addFirst(e);
    }

    public E pop() {
        return removeFirst();
    }

Vector

说明：

Vector是jdk 1.0的容器，和ArrayList一样基于对象数组，初始容量同样默认为10，但不同的是扩容时会增加为原来的2倍，且每个方法都使用synchronize修饰，是一个同步的线程安全的容器
特点：使用Enumeration<E>遍历元素，有序排列

Map集合

HashMap 基于JDK 1.8

说明：

HashMap底层基于哈希表来实现（在Java中哈希表通过数组+链表来实现，称链表散列或拉链法）也称作关联数组，不记录元素插入顺序，默认的容量是16，扩容按照2的n次幂递增，但不能超过1<<30
特点：key-value都能存null值，无序排列
注意：在JDK 1.8中，HashMap加入了红黑树，当桶中的bin大于TREEIFY_THRESHOLD时将使用（数组+红黑树）来存储，
少于TREEIFY_THRESHOLD将使用（数组+链表）

数据结构实现图解（JDK 1.8）：

基本数据结构：

    //单向链表节点
    static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
        final int hash; //当前节点Hash值
        final K key;    //当前节点key值
        V value;        //当前节点value值
        Node<K,V> next; //当前节点的next节点

        Node(int hash, K key, V value, Node<K,V> next) {
            this.hash = hash;
            this.key = key;
            this.value = value;
            this.next = next;
        }

        public final K getKey()        { return key; }
        public final V getValue()      { return value; }
        public final String toString() { return key + "=" + value; }

        public final V setValue(V newValue) {
            V oldValue = value;
            value = newValue;
            return oldValue;
        }

        public final int hashCode() {
            return Objects.hashCode(key) ^ Objects.hashCode(value);
        }

        public final boolean equals(Object o) {
            if (o == this)
                return true;

            if (o instanceof Map.Entry) {
                Map.Entry<?,?> e = (Map.Entry<?,?>)o;
                if (Objects.equals(key, e.getKey()) &&
                    Objects.equals(value, e.getValue()))
                    return true;
            }

            return false;
        }
    }

    //红黑树节点
    static final class TreeNode<K,V> extends LinkedHashMap.Entry<K,V> {
        TreeNode<K,V> parent;     //父亲节点
        TreeNode<K,V> left;     //左子节点
        TreeNode<K,V> right;       //右子节点
        TreeNode<K,V> prev;     //上一个节点
        boolean red;

        TreeNode(int hash, K key, V val, Node<K,V> next) {
            super(hash, key, val, next);
        }

        /**
         * 返回root节点
         */
        final TreeNode<K,V> root() {
            for (TreeNode<K,V> r = this, p;;) {
                if ((p = r.parent) == null) //当一个节点没有父节点时该节点就是root节点
                    return r;
                r = p;
            }
        }

        /**
         * Ensures that the given root is the first node of its bin.
         */
        static <K,V> void moveRootToFront(Node<K,V>[] tab, TreeNode<K,V> root) {
            int n;
            if (root != null && tab != null && (n = tab.length) > 0) {
                int index = (n - 1) & root.hash;
                TreeNode<K,V> first = (TreeNode<K,V>)tab[index];
                if (root != first) {
                    Node<K,V> rn;
                    tab[index] = root;
                    TreeNode<K,V> rp = root.prev;
                    if ((rn = root.next) != null)
                        ((TreeNode<K,V>)rn).prev = rp;
                    if (rp != null)
                        rp.next = rn;
                    if (first != null)
                        first.prev = root;
                    root.next = first;
                    root.prev = null;
                }
                assert checkInvariants(root);
            }
        }

        //重置数组长度
          final Node<K,V>[] resize() {
        //旧数组
        Node<K,V>[] oldTab = table;
        //获取就数组的长度
        int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;
        //获取初始化阈值
        int oldThr = threshold;
        //初始化新容量和新阈值 往后给新数组用
        int newCap, newThr = 0;

        if (oldCap > 0) {
            //就数组长度大于最大值限制时
            if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
                threshold = Integer.MAX_VALUE;
                return oldTab;
            }
            else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY && oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
                newThr = oldThr << 1; // double threshold
        }
        else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold
            newCap = oldThr;
        else {               // zero initial threshold signifies using defaults
            newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;
            newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);
        }
        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"})
        //创建新的数组
        Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap];
        table = newTab;

        //将旧数组元素复制到新数组中
        if (oldTab != null) {
            for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {
                Node<K,V> e;
                if ((e = oldTab[j]) != null) {
                    oldTab[j] = null;
                    if (e.next == null)
                        newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;
                    else if (e instanceof TreeNode)
                        ((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);
                    else { // preserve order
                        Node<K,V> loHead = null, loTail = null;
                        Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null;
                        Node<K,V> next;
                        do {
                            next = e.next;
                            if ((e.hash & oldCap) == 0) {
                                if (loTail == null)
                                    loHead = e;
                                else
                                    loTail.next = e;
                                loTail = e;
                            }
                            else {
                                if (hiTail == null)
                                    hiHead = e;
                                else
                                    hiTail.next = e;
                                hiTail = e;
                            }
                        } while ((e = next) != null);
                        if (loTail != null) {
                            loTail.next = null;
                            newTab[j] = loHead;
                        }
                        if (hiTail != null) {
                            hiTail.next = null;
                            newTab[j + oldCap] = hiHead;
                        }
                    }
                }
            }
        }
        return newTab;
    }
        

几个重要的属性：

    //默认容量值
    static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; 

    //最大容量限制值
    static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;

    //默认加载因子：加载因子提高可以减少空间开销，但同时会增加查找某个条目的时间
    static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;

    //底层实现，实质存储元素的就是该Node<K,V>数组
    transient Node<K,V>[] table;

    //Map.Entry<K,V>的Set集合
    transient Set<Map.Entry<K,V>> entrySet;

    //元素个数
    transient int size;

    //由链表转换成树的阈值(又叫临界值，是指一个效应能够产生的最低值或最高值)
    //当桶中bin的数量【超过】TREEIFY_THRESHOLD时使用树来代替链表。默认值是8
    static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8;

    //由树转换成链表的阈值
    //当执行resize操作时，当桶中bin的数量【少于】UNTREEIFY_THRESHOLD时使用链表来代替树。默认值是6
    static final int UNTREEIFY_THRESHOLD = 6;

    //当桶中的bin被树化时最小的hash表容量
    static final int MIN_TREEIFY_CAPACITY = 64;

构造器：

    //默认构造器
    public HashMap() {
        this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; // all other fields defaulted
    }

    //指定容量构造器
    public HashMap(int initialCapacity) {
        this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
    }

    //指定初始化容量和加载因子构造器
    public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {

        //初始化容量值少于0，抛异常
        if (initialCapacity < 0)
            throw new IllegalArgumentException("Illegal initial capacity: " + initialCapacity);

        //初始化容量大于最大容量限制值，则就依最大容量限制值来作容器为初始化大少
        if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)
            initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;

        //初始化加载因子小于或者等于0时，又或者不是一个数字时，抛异常
        if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor))
            throw new IllegalArgumentException("Illegal load factor: " + loadFactor);

        this.loadFactor = loadFactor;
        this.threshold = tableSizeFor(initialCapacity);
    }

    //根据一个Map创建一个HashMap 构造器
    public HashMap(Map<? extends K, ? extends V> m) {
        this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;
        putMapEntries(m, false);
    }

put方法：

    //存入键值对
    public V put(K key, V value) {
        return putVal(hash(key), key, value, false, true);
    }

    final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent, boolean evict) {
        Node<K,V>[] tab;
        Node<K,V> p;
        int n, i;

        /** 当Node<K,V>[] table为空时
            > 当前节点数组 tab = table
            > 当前节点数组的长度 n = tab.length
        */
        if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
            n = (tab = resize()).length;

        /** 存储key-value的时候是以 (n - 1) & hash 作为节点数组的角标来存储的
            > hash：当前插入key值的hashCode
            > (n - 1)：当前节点数组的最大角标
        */
        //如果添加的这个key在table对应的位置没有值，直接创建一个新节点添加到Node<K,V>[] table中
        if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
            tab[i] = newNode(hash, key, value, null); 

        /**
            在当前Node<K,V>[] table中有对应 (n - 1) & hash 作为节点数组的角标值时（值是节点）
        */
        else {
            Node<K,V> e;
            K k;

            //如果已经存在一样的key，那么就覆盖该key
            if (p.hash == hash && ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                e = p;
            else if (p instanceof TreeNode) //如果是节点数
                e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
            else {
                for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
                    if ((e = p.next) == null) {
                        p.next = newNode(hash, key, value, null);
                        if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) //当桶中bin的数量【超过】TREEIFY_THRESHOLD时使用树来代替链表
                            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;
    }
    

get方法：

    //获取对应key的value
    public V get(Object key) {
        Node<K,V> e;
        return (e = getNode(hash(key), key)) == null ? null : e.value;
    }

    final Node<K,V> getNode(int hash, Object key) {
        Node<K,V>[] tab;
        Node<K,V> first, e;
        int n;
        K k;

        //容器必须有元素才能操作，否则返回null
        if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 && (first = tab[(n - 1) & hash]) != null) {

            //如果first = tab[(n - 1) & hash]就是要获取的节点，直接返回
            if (first.hash == hash && ((k = first.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                return first;

            //如果当前节点有下一个节点的信息
            if ((e = first.next) != null) {
                //如果当前节点是节点树形式存储的节点，调用节点数节点获取方法获取
                if (first instanceof TreeNode)
                    return ((TreeNode<K,V>)first).getTreeNode(hash, key);
                do {
                    if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                        return e;
                } while ((e = e.next) != null); //链表遍历获取
            }
        }
        return null;
    }

get方法：

    //移除指定key的value
    public V remove(Object key) {
        Node<K,V> e;
        return (e = removeNode(hash(key), key, null, false, true)) == null ?
            null : e.value;
    }

    final Node<K,V> removeNode(int hash, Object key, Object value, boolean matchValue, boolean movable) {
        Node<K,V>[] tab;
        Node<K,V> p;
        int n, index;

        //容器必须有元素才能操作，否则返回null
        //当前数组长度：n =  tab.length
        //该key的节点位于数组的位置的角标： index = (n - 1) & hash
        if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&(p = tab[index = (n - 1) & hash]) != null) {

            Node<K,V> node = null, e;
            K k;
            V v;

            //如果p = tab[(n - 1) & hash]就是要获取的节点，直接复制给node变量
            if (p.hash == hash && ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                node = p;

            //如果p = tab[(n - 1) & hash]不是要找的节点，那么循环查找
            else if ((e = p.next) != null) {
                //如果该节点是节点树的节点，那么调用节点树查找方法获取node节点
                if (p instanceof TreeNode) node = ((TreeNode<K,V>)p).getTreeNode(hash, key);
                else {
                    do {
                        //如果遍历到了该key的节点
                        if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) {
                            node = e;
                            break;
                        }
                        p = e;  //记录主 key对应节点的上一个节点
                    } while ((e = e.next) != null);
                }
            }

            //node != null表示经过上面的代码后找到了该key的节点
            if (node != null && (!matchValue || (v = node.value) == value ||(value != null && value.equals(v)))) {
                //如果该节点是节点树的节点，那么调用节点树移除方法移除节点
                if (node instanceof TreeNode)
                    ((TreeNode<K,V>)node).removeTreeNode(this, tab, movable);
                else if (node == p)
                    tab[index] = node.next;
                else
                    //p是node节点的上一个节点
                    p.next = node.next; //将要删除的节点的next赋值给上一个节点的next
                ++modCount;
                --size;
                afterNodeRemoval(node);
                return node;
            }
        }
        return null;
    }

clear方法：

    public void clear() {
        Node<K,V>[] tab;
        modCount++;
        if ((tab = table) != null && size > 0) {
            size = 0;
            //循环将引用置空，让gc回收
            for (int i = 0; i < tab.length; ++i)
                tab[i] = null;
        }
    }

entrySet方法：

    //依Set<Map.Entry<K,V>>形式返回Node[] table数组
    public Set<Map.Entry<K,V>> entrySet() {
        Set<Map.Entry<K,V>> es;
        return (es = entrySet) == null ? (entrySet = new EntrySet()) : es;
    }

    final class EntrySet extends AbstractSet<Map.Entry<K,V>> {
        public final int size()                 { return size; }
        public final void clear()               { HashMap.this.clear(); }

        //返回迭代器
        public final Iterator<Map.Entry<K,V>> iterator() {
            return new EntryIterator();
        }

        public final boolean contains(Object o) {
            if (!(o instanceof Map.Entry))
                return false;
            Map.Entry<?,?> e = (Map.Entry<?,?>) o;
            Object key = e.getKey();
            Node<K,V> candidate = getNode(hash(key), key);
            return candidate != null && candidate.equals(e);
        }

        //移除节点
        public final boolean remove(Object o) {
            if (o instanceof Map.Entry) {
                Map.Entry<?,?> e = (Map.Entry<?,?>) o;
                Object key = e.getKey();
                Object value = e.getValue();
                return removeNode(hash(key), key, value, true, true) != null;
            }
            return false;
        }
        public final Spliterator<Map.Entry<K,V>> spliterator() {
            return new EntrySpliterator<>(HashMap.this, 0, -1, 0, 0);
        }
        public final void forEach(Consumer<? super Map.Entry<K,V>> action) {
            Node<K,V>[] tab;
            if (action == null)
                throw new NullPointerException();
            if (size > 0 && (tab = table) != null) {
                int mc = modCount;
                for (int i = 0; i < tab.length; ++i) {
                    for (Node<K,V> e = tab[i]; e != null; e = e.next)
                        action.accept(e);
                }
                if (modCount != mc)
                    throw new ConcurrentModificationException();
            }
        }
    }

TreeMap

说明：

TreeMap底层基红黑树来实现，查看“键”或“键值对”时，它们会被排序（次序由Comparable或Comparator决定）。TreeMap的特点在于，所得到的结果是经过排序的。
TreeMap是唯一的带有subMap()方法的Map，它可以返回一个子树
特点：key不能为null，value可以，自然排序或比较器排序

红黑树基本介绍：

示意图：

红黑树需要满足的条件：

1. 每个节点不是红色就是黑色的；
2. 根节点总是黑色的；
3. 如果节点是红色的，则它的子节点必须是黑色的（反之不一定）；
4. 从根节点到叶节点或空子节点的每条路径，必须包含相同数目的黑色节点（即相同的黑色高度）；

   在红-黑树中插入的节点都是红色的，这不是偶然的，因为插入一个红色节点比插入一个黑色节点违背红-黑规则的可能性更小。
   原因是：插入黑色节点总会改变黑色高度（违背规则4），但是插入红色节点只有一半的机会会违背规则3。
   另外违背规则3比违背规则4要更容易修正

以上红黑树数据结构理解来自：http://blog.csdn.net/eson_15/article/details/51144079

基本数据结构：

static final class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
        K key;              //key值
        V value;              //value值
        Entry<K,V> left;      //左子节点
        Entry<K,V> right;       //右子节点
        Entry<K,V> parent;  //父节点
        boolean color = BLACK; //黑色，注意：红黑树很节点必须为黑色

        Entry(K key, V value, Entry<K,V> parent) {
            this.key = key;
            this.value = value;
            this.parent = parent;
        }

        public K getKey() {
            return key;
        }

        public V getValue() {
            return value;
        }

        public V setValue(V value) {
            V oldValue = this.value;
            this.value = value;
            return oldValue;
        }

        public boolean equals(Object o) {
            if (!(o instanceof Map.Entry))
                return false;
            Map.Entry<?,?> e = (Map.Entry<?,?>)o;

            return valEquals(key,e.getKey()) && valEquals(value,e.getValue());
        }

        public int hashCode() {
            int keyHash = (key==null ? 0 : key.hashCode());
            int valueHash = (value==null ? 0 : value.hashCode());
            return keyHash ^ valueHash;
        }

        public String toString() {
            return key + "=" + value;
        }
    }

    //左旋
    private void rotateLeft(Entry<K,V> p) {
        if (p != null) {
            Entry<K,V> r = p.right;
            p.right = r.left;
            if (r.left != null)
                r.left.parent = p;
            r.parent = p.parent;
            if (p.parent == null)
                root = r;
            else if (p.parent.left == p)
                p.parent.left = r;
            else
                p.parent.right = r;
            r.left = p;
            p.parent = r;
        }
    }

    //右旋
    private void rotateRight(Entry<K,V> p) {
        if (p != null) {
            Entry<K,V> l = p.left;
            p.left = l.right;
            if (l.right != null) l.right.parent = p;
            l.parent = p.parent;
            if (p.parent == null)
                root = l;
            else if (p.parent.right == p)
                p.parent.right = l;
            else p.parent.left = l;
            l.right = p;
            p.parent = l;
        }
    }

    //插入变色
    private void fixAfterInsertion(Entry<K,V> x) {
        x.color = RED;

        while (x != null && x != root && x.parent.color == RED) {
            if (parentOf(x) == leftOf(parentOf(parentOf(x)))) {
                Entry<K,V> y = rightOf(parentOf(parentOf(x)));
                if (colorOf(y) == RED) {
                    setColor(parentOf(x), BLACK);
                    setColor(y, BLACK);
                    setColor(parentOf(parentOf(x)), RED);
                    x = parentOf(parentOf(x));
                } else {
                    if (x == rightOf(parentOf(x))) {
                        x = parentOf(x);
                        rotateLeft(x);
                    }
                    setColor(parentOf(x), BLACK);
                    setColor(parentOf(parentOf(x)), RED);
                    rotateRight(parentOf(parentOf(x)));
                }
            } else {
                Entry<K,V> y = leftOf(parentOf(parentOf(x)));
                if (colorOf(y) == RED) {
                    setColor(parentOf(x), BLACK);
                    setColor(y, BLACK);
                    setColor(parentOf(parentOf(x)), RED);
                    x = parentOf(parentOf(x));
                } else {
                    if (x == leftOf(parentOf(x))) {
                        x = parentOf(x);
                        rotateRight(x);
                    }
                    setColor(parentOf(x), BLACK);
                    setColor(parentOf(parentOf(x)), RED);
                    rotateLeft(parentOf(parentOf(x)));
                }
            }
        }
        root.color = BLACK;
    }

    //删除变色
    private void fixAfterDeletion(Entry<K,V> x) {
        while (x != root && colorOf(x) == BLACK) {

            if (x == leftOf(parentOf(x))) {
                Entry<K,V> sib = rightOf(parentOf(x));

                if (colorOf(sib) == RED) {
                    setColor(sib, BLACK);
                    setColor(parentOf(x), RED);
                    rotateLeft(parentOf(x));
                    sib = rightOf(parentOf(x));
                }

                if (colorOf(leftOf(sib))  == BLACK &&
                    colorOf(rightOf(sib)) == BLACK) {
                    setColor(sib, RED);
                    x = parentOf(x);
                } else {
                    if (colorOf(rightOf(sib)) == BLACK) {
                        setColor(leftOf(sib), BLACK);
                        setColor(sib, RED);
                        rotateRight(sib);
                        sib = rightOf(parentOf(x));
                    }
                    setColor(sib, colorOf(parentOf(x)));
                    setColor(parentOf(x), BLACK);
                    setColor(rightOf(sib), BLACK);
                    rotateLeft(parentOf(x));
                    x = root;
                }
            } else { // symmetric
                Entry<K,V> sib = leftOf(parentOf(x));

                if (colorOf(sib) == RED) {
                    setColor(sib, BLACK);
                    setColor(parentOf(x), RED);
                    rotateRight(parentOf(x));
                    sib = leftOf(parentOf(x));
                }

                if (colorOf(rightOf(sib)) == BLACK &&
                    colorOf(leftOf(sib)) == BLACK) {
                    setColor(sib, RED);
                    x = parentOf(x);
                } else {
                    if (colorOf(leftOf(sib)) == BLACK) {
                        setColor(rightOf(sib), BLACK);
                        setColor(sib, RED);
                        rotateLeft(sib);
                        sib = leftOf(parentOf(x));
                    }
                    setColor(sib, colorOf(parentOf(x)));
                    setColor(parentOf(x), BLACK);
                    setColor(leftOf(sib), BLACK);
                    rotateRight(parentOf(x));
                    x = root;
                }
            }
        }

        setColor(x, BLACK);
    }

几个重要的属性:

    //比较器，排序使用
    private final Comparator<? super K> comparator;

    //根节点
    private transient Entry<K,V> root;

    //节点数
    private transient int size = 0;

    //修改标记
    private transient int modCount = 0;

构造器：

    //默认构造器
    public TreeMap() {
        comparator = null;
    }

    //带有比较器的构造器
    public TreeMap(Comparator<? super K> comparator) {
        this.comparator = comparator;
    }

    //使用一个map集合创建一个TreeMap 构造器
    public TreeMap(Map<? extends K, ? extends V> m) {
        comparator = null; //无比较器
        putAll(m);
    }

    //使用一个SortedMap集合创建一个TreeMap 构造器
    public TreeMap(SortedMap<K, ? extends V> m) {
        comparator = m.comparator();
        try {
            buildFromSorted(m.size(), m.entrySet().iterator(), null, null);
        } catch (java.io.IOException cannotHappen) {
        } catch (ClassNotFoundException cannotHappen) {
        }
    }

put方法：

    //比较排序
    final int compare(Object k1, Object k2) {
        return comparator==null ? ((Comparable<? super K>)k1).compareTo((K)k2) : comparator.compare((K)k1, (K)k2);
    }

    public V put(K key, V value) {
        Entry<K,V> t = root; //获取根节点
        if (t == null) {
            compare(key, key); // type (and possibly null) check
            //如果root为空，将第一个put如的key-value节点作为根节点
            root = new Entry<>(key, value, null);
            size = 1;
            modCount++;
            return null;
        }
        int cmp;
        Entry<K,V> parent;
        //获取比较器
        Comparator<? super K> cpr = comparator;
        if (cpr != null) {

            //循环找位置将节点设入去
            do {
                parent = t;
                cmp = cpr.compare(key, t.key);
                if (cmp < 0) //放左边
                    t = t.left;
                else if (cmp > 0) //放右边
                    t = t.right;
                else
                    return t.setValue(value); //替换
            } while (t != null);
        }
        else {
            if (key == null)
                throw new NullPointerException();
                @SuppressWarnings("unchecked")
                Comparable<? super K> k = (Comparable<? super K>) key;
            do {
                parent = t;
                cmp = k.compareTo(t.key);
                if (cmp < 0)
                    t = t.left;
                else if (cmp > 0)
                    t = t.right;
                else
                    return t.setValue(value);
            } while (t != null);
        }
        Entry<K,V> e = new Entry<>(key, value, parent);
        if (cmp < 0)
            parent.left = e;
        else
            parent.right = e;
        fixAfterInsertion(e);
        size++;
        modCount++;
        return null;
    }
      

get方法：

        //获取到指定key的节点
    public V get(Object key) {
        Entry<K,V> p = getEntry(key);
        return (p==null ? null : p.value);
    }

        //获取到指定key的节点实现
    final Entry<K,V> getEntry(Object key) {

        //有比较器的时候
        if (comparator != null)
            return getEntryUsingComparator(key);

        //key为null的时候抛异常
        if (key == null)
            throw new NullPointerException();

        //
        @SuppressWarnings("unchecked")
        Comparable<? super K> k = (Comparable<? super K>) key; //向上转型
        Entry<K,V> p = root;
        while (p != null) {
            int cmp = k.compareTo(p.key);
            if (cmp < 0)
                p = p.left;
            else if (cmp > 0)
                p = p.right;  //k等于p.key，即找到该节点
            else
                return p;
        }
        return null;
    }

    final Entry<K,V> getEntryUsingComparator(Object key) {
        @SuppressWarnings("unchecked")
            K k = (K) key;
        Comparator<? super K> cpr = comparator;
        if (cpr != null) {
            Entry<K,V> p = root;
            while (p != null) {
                int cmp = cpr.compare(k, p.key);
                if (cmp < 0)
                    p = p.left;
                else if (cmp > 0)
                    p = p.right;
                else
                    return p; //k等于p.key，即找到该节点
            }
        }
        return null;
    }

remove方法：

    //移除指定的节点对象
    public boolean remove(Object o) {
        //当o不是Map.Entry的实例就返回false
        if (!(o instanceof Map.Entry))
            return false;
        //将o转为强转成Map.Entry对象
        Map.Entry<?,?> entry = (Map.Entry<?,?>) o;
        //获取该对象的值
        Object value = entry.getValue();

        //根据该对象的key值从红黑树中获取到对应的红黑树节点
        Entry<K,V> p = getEntry(entry.getKey());

        /*
        对比传进来的这个对象的value，和利用该对象的key在红黑树中获得的节点的value进行对比
        如果相同，证明确实有这个节点，那么就记性删除，否者但会false
        */
        if (p != null && valEquals(p.getValue(), value)) {
            deleteEntry(p);
            return true;
        }
        return false;
    }

    //移除指定key的节点对象，并返回移除了的节点的value值
   public V remove(Object key) {
        //根据key在红黑树总查找到对应的节点
        Entry<K,V> p = getEntry(key);
        if (p == null)
            return null;
        V oldValue = p.value;
        deleteEntry(p); //删除节点
        return oldValue;
    }

    //获取红黑树节点中指定key的节点
    final Entry<K,V> getEntry(Object key) {
        //当有自定义比较器的时候
        if (comparator != null)
            return getEntryUsingComparator(key);
        if (key == null)
            throw new NullPointerException();
        @SuppressWarnings("unchecked")
        //将key强转成Comparable实例，这就是为什么TreeMap要么传入比较器，要么实现Comparable的原因
        Comparable<? super K> k = (Comparable<? super K>) key;
        //获取红黑树的根节点
        Entry<K,V> p = root;
        //遍历红黑树来获取当前key的节点
        while (p != null) {
            //从根节点开始查找
            int cmp = k.compareTo(p.key);
            if (cmp < 0)
                p = p.left;
            else if (cmp > 0)
                p = p.right;
            else
                return p;
        }
        return null;
    }  

        //删除指定节点实现，注意：是要删除的节点
    private void deleteEntry(Entry<K,V> p) {
        modCount++;
        size--;

        if (p.left != null && p.right != null) {
            Entry<K,V> s = successor(p);
            p.key = s.key;
            p.value = s.value;
            p = s;
        } 

        // Start fixup at replacement node, if it exists.
        Entry<K,V> replacement = (p.left != null ? p.left : p.right);

        if (replacement != null) {
            // Link replacement to parent
            replacement.parent = p.parent;
            if (p.parent == null)
                root = replacement;
            else if (p == p.parent.left)
                p.parent.left  = replacement;
            else
                p.parent.right = replacement;

            // Null out links so they are OK to use by fixAfterDeletion.
            p.left = p.right = p.parent = null;

            // Fix replacement
            if (p.color == BLACK)
                fixAfterDeletion(replacement);
        } else if (p.parent == null) { // return if we are the only node.
            root = null;
        } else { //  No children. Use self as phantom replacement and unlink.
            if (p.color == BLACK)
                fixAfterDeletion(p);

            if (p.parent != null) {
                if (p == p.parent.left)
                    //如果当前是左节点，利用父节点来移除自己
                    p.parent.left = null;
                else if (p == p.parent.right)
                    //如果当前是右节点，利用父节点来移除自己
                    p.parent.right = null;

                //移除父节点
                p.parent = null;
            }
        }
    }

HashTable

说明：

基于散列（数组+链表）实现，操作方法都被synchronize修饰，所以是线程安全的容器
特点：key不能为null，value不能为null，使用Enumeration遍历

和HashMap的基本对比：

ConcurrentHashTable

说明：

可以高效地支持并发操作，开源框架Spring的底层数据结构就是使用ConcurrentHashMap实现的；
与同是线程安全的老大哥HashTable相比，它已经更胜一筹，因此它的锁更加细化，而不是像HashTable一样为几乎每个方法都添加了synchronized锁，这样的锁无疑会影响到性能；
JDK8的版本，与JDK6的版本有很大的差异。实现线程安全的思想也已经完全变了，它摒弃了Segment（锁段）的概念，
而是启用了一种全新的方式实现,利用CAS算法，它沿用了与它同时期的HashMap版本的思想，底层依然由“数组”+链表+红黑树的方式思想，
但是为了做到并发，又增加了很多辅助的类，例如TreeBin，Traverser等对象内部类。

注意：ConcurrentHashMap不允许key或value为null值

Set集合

HashSet

说明：

基于HashMap实现(散列)，所以可以得出结论，值不能为重复，但可以为null，重复会被覆盖

TreeSet

说明：

基于TreeMap实现，元素的顺序取决于元素自身的自然顺序或者在构造时提供的比较器
注意：TreeMap的key不能为null，所以TreeSet的元素不能为null

原文地址：https://www.cnblogs.com/tandi19960505/p/9642322.html