JDK集合框架及底层数据结构的原理解析

JDK集合框架是Java语言中用于存储和操作数据的核心工具之一。它为开发者提供了多种类型的数据容器，包括列表、集合、映射等。理解JDK集合框架及其底层数据结构的原理，有助于我们选择最合适的数据结构并优化程序的性能。本课程将详细解析JDK集合框架的组成、工作原理以及底层数据结构的实现。

1. JDK集合框架概述

JDK集合框架的核心思想是通过一组接口与类的组合，提供了一些常用的数据结构和算法。集合框架的主要接口包括：

Collection：是所有集合类的根接口，继承自Iterable接口。
List：继承自Collection，有序且可重复。
Set：继承自Collection，无序且不允许重复元素。
Map：用于存储键值对，键唯一，值可以重复。

1.1 集合框架的主要类与接口

List接口的实现类有ArrayList、LinkedList、Vector等。
Set接口的实现类有HashSet、LinkedHashSet、TreeSet等。
Map接口的实现类有HashMap、TreeMap、LinkedHashMap等。

2. 集合框架的底层数据结构

集合框架的底层实现基于多种常见的数据结构，如数组、链表、树、哈希表等。下面我们逐一解析常见数据结构的原理和应用。

2.1 ArrayList：基于动态数组实现

ArrayList是一个基于动态数组的集合，底层使用数组来存储元素。它的优点是支持快速随机访问，缺点是插入和删除操作较慢（特别是在中间位置插入或删除时）。

2.1.1 ArrayList源码解析

public class ArrayList<E> extends AbstractList<E> 
    implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, Serializable {
    private transient Object[] elementData; // 用于存储元素的数组
    private int size; // ArrayList中元素的个数

    // 添加元素到ArrayList
    public boolean add(E e) {
        ensureCapacity(size + 1);  // 保证有足够的容量
        elementData[size++] = e; // 添加元素
        return true;
    }

    // 确保容量
    private void ensureCapacity(int minCapacity) {
        int oldCapacity = elementData.length;
        if (minCapacity > oldCapacity) {
            // 扩展数组的大小
            int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1); 
            elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
        }
    }
}

ArrayList底层通过elementData数组来存储元素。当添加新元素时，如果容量不足，就会扩展数组。扩展时，容量是以当前容量的1.5倍增长。

2.2 LinkedList：基于双向链表实现

LinkedList是一个基于双向链表的数据结构，具有更快的插入和删除操作。特别是在链表的头部或尾部进行插入和删除时，效率非常高。它的缺点是随机访问效率较低，因为需要从链表的头部或尾部开始遍历。

2.2.1 LinkedList源码解析

public class LinkedList<E> extends AbstractSequentialList<E> 
    implements List<E>, Deque<E>, Cloneable, Serializable {
    private transient Node<E> first;  // 链表的头结点
    private transient Node<E> last;   // 链表的尾结点
    private transient int size = 0;   // 链表的元素个数

    // 添加元素到链表
    public boolean add(E e) {
        linkLast(e);
        return true;
    }

    // 链接到链表的末尾
    private void linkLast(E e) {
        final Node<E> l = last;
        final Node<E> newNode = new Node<>(l, e, null);
        last = newNode;
        if (l == null) {
            first = newNode;
        } else {
            l.next = newNode;
        }
        size++;
    }
}

LinkedList底层通过Node对象存储元素，每个Node包含了当前元素、前一个节点和后一个节点的引用。当添加元素时，新的元素会被插入到链表的尾部。

2.3 HashSet：基于哈希表实现

HashSet是一个无序的集合，它的底层实现是基于HashMap。每个元素作为HashMap的键存储，值是一个固定的常量。由于HashMap是基于哈希表实现的，因此HashSet具有很高的查询效率。

2.3.1 HashSet源码解析

public class HashSet<E> extends AbstractSet<E> 
    implements Set<E>, Cloneable, Serializable {
    private transient HashMap<E,Object> map;

    public HashSet() {
        map = new HashMap<>();
    }

    public boolean add(E e) {
        return map.put(e, PRESENT) == null;
    }
}

HashSet通过HashMap的put方法将元素作为键存储，其中PRESENT是一个常量对象，用于填充值部分。这样就能保证集合中的元素唯一。

2.4 HashMap：基于哈希表实现

HashMap是一个基于哈希表的键值对集合。它的底层是由数组和链表（或红黑树）组成的。当元素过多时，哈希冲突可能导致链表转换为红黑树，从而提升性能。

2.4.1 HashMap源码解析

public class HashMap<K,V> extends AbstractMap<K,V> 
    implements Map<K,V>, Cloneable, Serializable {
    private transient Node<K,V>[] table;  // 哈希表数组
    private transient int size;  // 元素数量

    public V put(K key, V value) {
        int hash = hash(key);
        int index = indexFor(hash, table.length);  // 计算哈希值并确定存储位置
        Node<K,V> node = table[index];
        
        // 如果位置为空，则插入新的元素
        if (node == null) {
            table[index] = new Node<>(hash, key, value, null);
            size++;
            return null;
        }
        // 处理哈希冲突，遍历链表
        for (Node<K,V> e = node; e != null; e = e.next) {
            if (e.hash == hash && (e.key == key || (key != null && key.equals(e.key)))) {
                V oldValue = e.value;
                e.value = value;  // 更新值
                return oldValue;
            }
        }
        // 如果没有找到相同的键，则插入新的元素
        table[index] = new Node<>(hash, key, value, node);
        size++;
        return null;
    }
}

HashMap通过计算键的哈希值来确定元素的位置。如果发生哈希冲突，会采用链表法解决。如果链表的长度超过一定阈值，链表会转换为红黑树以提高查找效率。