Collections之Map&List&Set详解完整版

HashMap
数据结构
源码原理分析
重要成员变量
内部的执行机制源码
Jdk7-扩容死锁分析
单线程扩容
多线程扩容
Jdk8-扩容
ConcurrentHashMap
数据结构
并发安全控制
源码原理分析
重要成员变量
协助扩容helpTransfer
扩容transfer
总结
CopyOnWrite机制
源码原理
HashMap
数据结构
数组+链表+(红黑树jdk>=8)
源码原理分析
重要成员变量
DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; Hash表默认初始容量
MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30; 最大Hash表容量
DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f；默认加载因子
TREEIFY_THRESHOLD = 8；链表转红黑树阈值
UNTREEIFY_THRESHOLD = 6；红黑树转链表阈值
MIN_TREEIFY_CAPACITY = 64；链表转红黑树时hash表最小容量阈值，达不到优先扩容。
内部的执行机制源码
见课堂讲解。
HashMap是线程不安全的，不安全的具体原因就是在高并发场景下，扩容可能产生死锁(Jdk1.7存在)以及get操作可能带来的数据丢失。
Jdk7-扩容死锁分析
死锁问题核心在于下面代码，多线程扩容导致形成的链表环!
void transfer(Entry[] newTable, boolean rehash) {
int newCapacity = newTable.length;
for (Entry<K,V> e : table) {
while(null != e) {
Entry<K,V> next = e.next;//第一行
if (rehash) {
e.hash = null == e.key ? 0 : hash(e.key);
}
int i = indexFor(e.hash, newCapacity);//第二行
e.next = newTable[i];//第三行
newTable[i] = e;//第四行
e = next;//第五行
}
}
}
去掉了一些冗余的代码， 层次结构更加清晰了。
第一行：记录oldhash表中e.next
第二行：rehash计算出数组的位置(hash表中桶的位置)
第三行：e要插入链表的头部， 所以要先将e.next指向new hash表中的第一个元素
第四行：将e放入到new hash表的头部
第五行： 转移e到下一个节点， 继续循环下去
单线程扩容
假设：hash算法就是简单的key与length(数组长度)求余。hash表长度为2，如果不扩容， 那么元素key为3,5,7按照计算(key%table.length)的话都应该碰撞到table[1]上。
扩容：hash表长度会扩容为4重新hash，key=3 会落到table[3]上(3%4=3)， 当前e.next为key(7), 继续while循环重新hash，key=7 会落到table[3]上(7%4=3), 产生碰撞， 这里采用的是头插入法，所以key=7的Entry会排在key=3前面(这里可以具体看while语句中代码)当前e.next为key(5), 继续while循环重新hash，key=5 会落到table[1]上(5%4=3)， 当前e.next为null, 跳出while循环，resize结束。
如下图所示
https://share.note.youdao.com/yws/public/resource/1101e17b43e1d8f57a7de05e2464fb8a/xmlnote/BF5FC4BE6C174E918B6177C7E27D37D7/51165
多线程扩容
下面就是多线程同时put的情况了， 然后同时进入transfer方法中：假设这里有两个线程同时执行了put()操作，并进入了transfer()环节
while(null != e) {
Entry<K,V> next = e.next;//第一行，线程1执行到此被调度挂起
int i = indexFor(e.hash, newCapacity);//第二行
e.next = newTable[i];//第三行
newTable[i] = e;//第四行
e = next;//第五行
}
那么此时状态为：
https://share.note.youdao.com/yws/public/resource/1101e17b43e1d8f57a7de05e2464fb8a/xmlnote/E83018E9FC4E4E63BE0E84CEA1C2D184/51168
从上面的图我们可以看到，因为线程1的 e 指向了 key(3)，而 next 指向了 key(7)，在线程2 rehash 后，就指向了线程2 rehash 后的链表。
然后线程1被唤醒了：
执行e.next = newTable[i]，于是 key(3)的 next 指向了线程1的新 Hash 表，因为新 Hash 表为空，所以e.next = null，
执行newTable[i] = e，所以线程1的新 Hash 表第一个元素指向了线程2新 Hash 表的 key(3)。好了，e 处理完毕。
执行e = next，将 e 指向 next，所以新的 e 是 key(7)
然后该执行 key(3)的 next 节点 key(7)了:
现在的 e 节点是 key(7)，首先执行Entry next = e.next,那么 next 就是 key(3)了
执行e.next = newTable[i]，于是key(7) 的 next 就成了 key(3)
执行newTable[i] = e，那么线程1的新 Hash 表第一个元素变成了 key(7)
执行e = next，将 e 指向 next，所以新的 e 是 key(3)
此时状态为：
https://share.note.youdao.com/yws/public/resource/1101e17b43e1d8f57a7de05e2464fb8a/xmlnote/42A463F4CBC445309B7EC32E33F320AC/51166
然后又该执行 key(7)的 next 节点 key(3)了：
现在的 e 节点是 key(3)，首先执行Entry next = e.next,那么 next 就是 null
执行e.next = newTable[i]，于是key(3) 的 next 就成了 key(7)
执行newTable[i] = e，那么线程1的新 Hash 表第一个元素变成了 key(3)
执行e = next，将 e 指向 next，所以新的 e 是 key(7)
这时候的状态如图所示：
https://share.note.youdao.com/yws/public/resource/1101e17b43e1d8f57a7de05e2464fb8a/xmlnote/593E2313CA0F4D3BA2F8D09B71825447/51163
很明显，环形链表出现了。
Jdk8-扩容
Java8 HashMap扩容跳过了Jdk7扩容的坑，对源码进行了优化，采用高低位拆分转移方式，避免了链表环的产生。
扩容前：
https://share.note.youdao.com/yws/public/resource/1101e17b43e1d8f57a7de05e2464fb8a/xmlnote/9DA6273513CA4A00A324FB40F1336429/51160
扩容后：
https://share.note.youdao.com/yws/public/resource/1101e17b43e1d8f57a7de05e2464fb8a/xmlnote/ED9E55321DF6443C9C67AC9CFBFE59A6/51162
由于Jdk8引入了新的数据结构，所以put方法过程也有了一定改进，其过程如下图所示。
https://share.note.youdao.com/yws/public/resource/1101e17b43e1d8f57a7de05e2464fb8a/xmlnote/7CB1549D0EAC48D8B16EBA501F6306C9/51164
ConcurrentHashMap
数据结构
ConcurrentHashMap的数据结构与HashMap基本类似，区别在于：1、内部在数据写入时加了同步机制(分段锁)保证线程安全，读操作是无锁操作；2、扩容时老数据的转移是并发执行的，这样扩容的效率更高。
并发安全控制
Java7 ConcurrentHashMap基于ReentrantLock实现分段锁
https://share.note.youdao.com/yws/public/resource/1101e17b43e1d8f57a7de05e2464fb8a/xmlnote/310F2DF77FC54F1BBE41316A8E547354/51169
Java8中 ConcurrentHashMap基于分段锁+CAS保证线程安全，分段锁基于synchronized关键字实现；
https://share.note.youdao.com/yws/public/resource/1101e17b43e1d8f57a7de05e2464fb8a/xmlnote/A919D6E53664432B85F6B5DAB0A04ED9/51167
源码原理分析
重要成员变量
ConcurrentHashMap拥有出色的性能, 在真正掌握内部结构时, 先要掌握比较重要的成员:
LOAD_FACTOR: 负载因子, 默认75%, 当table使用率达到75%时, 为减少table的hash碰撞, tabel长度将扩容一倍。负载因子计算: 元素总个数%table.lengh
TREEIFY_THRESHOLD: 默认8, 当链表长度达到8时, 将结构转变为红黑树。
UNTREEIFY_THRESHOLD: 默认6, 红黑树转变回为链表的阈值。
MIN_TRANSFER_STRIDE: 默认16, table扩容时, 每个线程最少迁移table的槽位个数。
MOVED: 值为-1, 当Node.hash为MOVED时, 代表着table正在扩容
TREEBIN, 置为-2, 代表此元素后接红黑树。
nextTable: table迁移过程临时变量, 在迁移过程中将元素全部迁移到nextTable上。
sizeCtl: 用来标志table初始化和扩容的,不同的取值代表着不同的含义:
0: table还没有被初始化
-1: table正在初始化
小于-1: 实际值为resizeStamp(n)<1的元素开始迁移, transferIndex代表当前已经迁移的元素下标
ForwardingNode: 一个特殊的Node节点, 其hashcode=MOVED, 代表着此时table正在做扩容操作。扩容期间, 若table某个元素为null, 那么该元素设置为ForwardingNode, 当下个线程向这个元素插入数据时, 检查hashcode=MOVED, 就会帮着扩容。
ConcurrentHashMap由三部分构成, table+链表+红黑树, 其中table是一个数组, 既然是数组, 必须要在使用时确定数组的大小, 当