大佬們好！我是LKJ_Coding，一枚初級馬牛，正在努力在代碼的叢林中找尋自己的方向。如果你也曾在調試中迷失，或是在文檔中翻滾，那我們一定有許多共同話題可以聊！今天，我帶着滿滿的代碼“乾貨”來和大家分享，學不學無所謂，反正我先吐槽了！
前言
你説你學 Java，也用過 ArrayList、HashMap，但我問你：HashMap 是數組 + 鏈表 + 紅黑樹的結構，你能畫出來嗎？
你用 ConcurrentHashMap 併發場景穩如老狗，那你知道它是怎麼實現 Segment 到 CAS 優化的嗎？
今天我們不談“我會用”，我們談“我徹底懂”。集合框架是 Java 的基礎設施級能力，是寫代碼的底氣、也是調優的核心戰場。
你以為是簡單裝數據？其實是底層數據結構、併發模型、內存佈局的精妙結合。
📚 一、List、Set、Map：分類很簡單，實現細節夠嗆
Java 的集合，按照用途分類，基本三大派系：
| 類型 | 接口 | 常見實現類 |
|---|---|---|
| List | 有序、可重複 | ArrayList, LinkedList, Vector |
| Set | 無序、不可重複 | HashSet, LinkedHashSet, TreeSet |
| Map | 鍵值對結構 | HashMap, TreeMap, LinkedHashMap, Hashtable, ConcurrentHashMap |
📦 List —— 順序為王，重複無罪
- ArrayList：底層是動態數組，查詢快，增刪慢（涉及元素搬遷）。
- LinkedList：雙向鏈表結構，插入刪除快，隨機訪問慢。
- Vector：線程安全的 ArrayList（用 synchronized 包裹），老古董。
🌰 ArrayList 結構一瞥
Object[] elementData;
int size;
動態擴容邏輯（JDK 1.8）：
int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1); // 擴容為原來的1.5倍
🌀 Set —— 唯一性第一
- HashSet：基於 HashMap 實現，底層用的是 HashMap 的 key。
- LinkedHashSet：有序的 HashSet，維護插入順序。
- TreeSet：基於 TreeMap 實現，自動排序（紅黑樹）。
🌰 HashSet 背後是個 HashMap
private transient HashMap<E,Object> map;
private static final Object PRESENT = new Object();
🧩 Map —— 讓鍵值對説話
- HashMap：最常用，非線程安全，底層數組 + 鏈表/紅黑樹
- TreeMap：排序的 Map，底層是紅黑樹
- LinkedHashMap：帶順序的 HashMap，可做 LRU 緩存
- ConcurrentHashMap：線程安全的分段鎖 + CAS 實現
🔬 二、HashMap 底層原理（JDK7 vs JDK8）：你以為 put 進去就完事了？
面試官最愛問的經典三連：
- HashMap 的底層結構是啥？
- 為什麼會產生 hash 衝突？
- JDK8 之後有啥優化？
📌 JDK7 的 HashMap 結構
數組 + 鏈表
- 通過
hash(key)得到 hash 值 index = hash & (table.length - 1)定位桶- 衝突了就鏈表法解決衝突
📌 JDK8 的 HashMap 結構
數組 + 鏈表 + 紅黑樹（三合一）
- 當鏈表長度超過 8 且數組長度 ≥ 64，則轉為紅黑樹
- 紅黑樹結構提高查詢效率，避免鏈表 O(n)
🧠 put() 操作核心步驟
- 判斷數組是否初始化（懶加載）
- 計算 hash 並定位 bucket
- 如果 bucket 為空，直接插入
- 如果有衝突，遍歷鏈表或紅黑樹
- 判斷是否需要轉樹或擴容
- size++，檢查 threshold 是否達標
🌰 put() 核心代碼簡化版（JDK8）
if (table == null || table.length == 0) resize();
int hash = hash(key);
int i = (n - 1) & hash;
if (table[i] == null) {
table[i] = new Node<>(...);
} else {
// 鏈表遍歷 或 紅黑樹插入
}
🧱 三、ConcurrentHashMap 併發設計：線程安全不是靠 synchronized
你可能覺得，加個 synchronized 就萬事大吉？別逗了，JDK 1.8 的 ConcurrentHashMap 可是武裝到了牙齒。
📌 JDK7 的 Segment 分段鎖
- 將整個 Map 拆成多個 Segment，每段加鎖
- Segment 是一個 mini-HashMap
- 併發度 = Segment 數量（默認 16）
優點：分段加鎖提升併發 缺點：結構複雜，鎖粒度仍較大
📌 JDK8 的徹底重構
- 放棄 Segment
- 用 CAS + synchronized（在桶級別）
- 數據結構與 HashMap 保持一致：數組 + 鏈表 + 紅黑樹
🧠 核心優化點
- 利用 CAS 保證節點插入原子性
- 鏈表插入使用 synchronized 鎖桶節點
- 紅黑樹寫操作仍加鎖，讀儘量無鎖
🌰 實例代碼
ConcurrentHashMap<String, String> map = new ConcurrentHashMap<>();
map.put("A", "Apple");
map.get("A");
你覺得它簡單，其實內部已經繞過了多個線程安全陷阱。
💥 四、fail-fast vs fail-safe：你知道為啥遍歷時不能改集合嗎？
你寫了這麼久集合，是否被下面這個錯誤嚇過：
Exception in thread "main" java.util.ConcurrentModificationException
這就是 Java 的fail-fast 機制在作怪。
🧨 fail-fast
- 出現在普通集合：
ArrayList,HashMap - 結構發生變化時，遍歷器立刻拋出異常
- 基於
modCount檢查結構修改次數
🌰 例子：
List<String> list = new ArrayList<>();
list.add("A");
list.add("B");
for (String s : list) {
if ("A".equals(s)) {
list.remove(s); // 報錯！
}
}
✅ fail-safe
- 出現在併發包：
ConcurrentHashMap,CopyOnWriteArrayList - 修改不影響當前遍歷（通過複製、快照）
- 性能略低，但安全
🌰 例子：
CopyOnWriteArrayList<String> list = new CopyOnWriteArrayList<>();
list.add("A");
list.add("B");
for (String s : list) {
if ("A".equals(s)) {
list.remove(s); // ✅ 不報錯
}
}
🧾 總結：集合不只是存東西，它決定了你程序的底氣
Java 集合不是工具人，它是存儲結構 + 算法思想 + 併發控制的綜合體現。 寫業務代碼可以粗糙，但操作集合時你得像做外科手術一樣精準。
你不懂 HashMap，就搞不清緩存； 你不懂 ConcurrentHashMap，就別談併發安全； 你不理解 fail-fast，就等着線上崩潰給你寫教訓。
最後送你一段總結性“靈魂質問”：
“你真懂 Java 集合了嗎？還是隻是會用 ArrayList 來湊合？”
好啦，廢話不多説，今天的分享就到這裏！如果你覺得我這“初級馬牛”還挺有趣，那就請給我點個贊、留個言、再三連擊三連哦！讓我們一起“成精”吧！下次見，不見不散！
