面向[面试编程]系列之Java集合类

爱Rap篮球写代码的蔡徐
209 阅读16分钟
写在前面
个人觉得 Java 集合类在面试过程中是个超高频的模块，所以一定要认真准备每个知识点。那么我个人学习这块知识点的方法是：
1、阅读源码：这一块的考点可以说就是看你对有没有阅读过集合类的源码以及对其的掌握程度。因为在平时的开发中几乎每天都在和集合类打交道，只有了解清楚它们底层的实现原理，才能在日常业务开发中选择合适的集合。可能会有人说阅读源码比较枯燥，看不下去，但是 Java 集合类的源码真的还好，并不像 Spring 的 AOP/IOC 那样复杂；
2、做笔记：因为看完源码很快就会忘了，所以需要对关键的源码部分加以注释做成笔记，这里推荐写博客或者写在 github 仓库中，方便后面面试时复习；
3、看大佬们的源码分析文章：因为你看的可是 JDK 的源码，其中很多设计精妙之处不是“我等菜鸡”随便就可以看出来的，所以多看看大佬们的文章，肯定会有意外的收获；
4、看面经：这个也是少不了的，了解面试官们问问题的方式和频率，可以有优先级的准备。
1、Java 中常用的容器有哪些？

常见容器主要包括 Collection 和 Map 两种，Collection 存储着对象的集合，而 Map 存储着键值对（两个对象）的映射表。

  • Collection

  • Set

  1. SetTreeSet：基于红黑树实现，支持有序性操作，例如：根据一个范围查找元素的操作。但是查找效率不如 HashSet，HashSet 查找的时间复杂度为 O(1)，TreeSet 则为 O(logN)。

  2. HashSet：基于哈希表实现，支持快速查找，但不支持有序性操作。并且失去了元素的插入顺序信息，也就是说使用 Iterator 遍历 HashSet 得到的结果是不确定的。

  3. LinkedHashSet：具有 HashSet 的查找效率，且内部使用双向链表维护元素的插入顺序。

  • List
  1. ArrayList：基于动态数组实现，支持随机访问。
  2. Vector：和 ArrayList 类似，但它是线程安全的。

  3. LinkedList：基于双向链表实现，只能顺序访问，但是可以快速地在链表中间插入和删除元素。不仅如此，LinkedList 还可以用作栈、队列和双向队列。

  • Queue

  1. LinkedList：可以用它来实现双向队列。
  2. PriorityQueue：基于堆结构实现，可以用它来实现优先队列。

  • Map

  1. TreeMap：基于红黑树实现。
  2. HashMap：基于哈希表实现。
  3. HashTable：和 HashMap 类似，但它是线程安全的，这意味着同一时刻多个线程可以同时写入 HashTable 并且不会导致数据不一致。它是遗留类，不应该去使用它。现在可以使用 ConcurrentHashMap 来支持线程安全，并且 ConcurrentHashMap 的效率会更高，因为 ConcurrentHashMap 引入了分段锁。
  4. LinkedHashMap：使用双向链表来维护元素的顺序，顺序为插入顺序或者最近最少使用（LRU）顺序。

2、ArrayList 和 LinkedList 的区别？

ArrayList：底层是基于数组实现的，查找快，增删较慢；
LinkedList：底层是基于链表实现的。确切的说是循环双向链表（JDK1.6 之前是双向循环链表、JDK1.7 之后取消了循环），查找慢、增删快。LinkedList 链表由一系列表项连接而成，一个表项包含 3 个部分：元素内容、前驱表和后驱表。链表内部有一个 header 表项，既是链表的开始也是链表的结尾。header 的后继表项是链表中的第一个元素，header 的前驱表项是链表中的最后一个元素。

补充：

ArrayList 的增删未必就是比 LinkedList 要慢：
1. 如果增删都是在末尾来操作【每次调用的都是 remove() 和 add()】，此时 ArrayList 就不需要移动和复制数组来进行操作了。如果数据量有百万级的时，速度是会比 LinkedList 要快的。
2. 如果删除操作的位置是在中间。由于 LinkedList 的消耗主要是在遍历上，ArrayList 的消耗主要是在移动和复制上（底层调用的是 arrayCopy() 方法，是 native 方法）。LinkedList 的遍历速度是要慢于 ArrayList 的复制移动速度的如果数据量有百万级的时，还是 ArrayList 要快。
3、ArrayList 实现 RandomAccess 接口有何作用？为何 LinkedList 却没实现这个接口？
1. RandomAccess 接口只是一个标志接口，只要 List 集合实现这个接口，就能支持快速随机访问。通过查看 Collections 类中的 binarySearch() 方法，可以看出，判断 List 是否实现 RandomAccess 接口来实行indexedBinarySerach(list, key) 或 iteratorBinarySerach(list, key)方法。再通过查看这两个方法的源码发现：实现 RandomAccess 接口的 List 集合采用一般的 for 循环遍历，而未实现这接口则采用迭代器，即 ArrayList 一般采用 for 循环遍历，而 LinkedList 一般采用迭代器遍历；
2. ArrayList 用 for 循环遍历比 iterator 迭代器遍历快，LinkedList 用 iterator 迭代器遍历比 for 循环遍历快。所以说，当我们在做项目时，应该考虑到 List 集合的不同子类采用不同的遍历方式，能够提高性能。
4、ArrayList 的扩容机制？

推荐阅读：

https://juejin.cn/post/6844903904346374158

  1. 当使用 add 方法的时候首先调用 ensureCapacityInternal 方法，传入 size+1 进去，检查是否需要扩充 elementData 数组的大小；
  2. newCapacity = 扩充数组为原来的 1.5 倍(不能自定义)，如果还不够，就使用它指定要扩充的大小 minCapacity ，然后判断 minCapacity 是否大于 MAX_ARRAY_SIZE(Integer.MAX_VALUE - 8) ，如果大于，就取 Integer.MAX_VALUE；
  3. 扩容的主要方法：grow；
  4. ArrayList 中 copy 数组的核心就是 System.arraycopy 方法，将 original 数组的所有数据复制到 copy 数组中，这是一个本地方法。
5、Array 和 ArrayList 有何区别？什么时候更适合用 Array？

  1. Array 可以容纳基本类型和对象，而 ArrayList 只能容纳对象；

  2. Array 是指定大小的，而 ArrayList 大小是固定的。

什么时候更适合使用 Array：

  1. 如果列表的大小已经指定，大部分情况下是存储和遍历它们；

  2. 对于遍历基本数据类型，尽管 Collections 使用自动装箱来减轻编码任务，在指定大小的基本类型的列表上工作也会变得很慢；

  3. 如果你要使用多维数组，使用 [ ][ ] 比 List> 更容易。

6、HashMap 的实现原理/底层数据结构？JDK1.7 和 JDK1.8

JDK1.7：Entry数组 + 链表
JDK1.8：Node 数组 + 链表/红黑树，当链表上的元素个数超过 8 个并且数组长度 >= 64 时自动转化成红黑树，节点变成树节点，以提高搜索效率和插入效率到 O(logN)。Entry 和 Node 都包含 key、value、hash、next 属性。
7、HashMap 的 put 方法的执行过程？

当我们想往一个 HashMap 中添加一对 key-value 时，系统首先会计算 key 的 hash 值，然后根据 hash 值确认在 table 中存储的位置。若该位置没有元素，则直接插入。否则迭代该处元素链表并依次比较其 key 的 hash 值。如果两个 hash 值相等且 key 值相等(e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k)))，则用新的 Entry 的 value 覆盖原来节点的 value。如果两个 hash 值相等但 key 值不等 ，则将该节点插入该链表的链头。

8、HashMap 的 get 方法的执行过程？

通过 key 的 hash 值找到在 table 数组中的索引处的 Entry，然后返回该 key 对应的 value 即可。

在这里能够根据 key 快速的取到 value 除了和 HashMap 的数据结构密不可分外，还和 Entry 有莫大的关系。HashMap 在存储过程中并没有将 key，value 分开来存储，而是当做一个整体 key-value 来处理的，这个整体就是Entry 对象。同时 value 也只相当于 key 的附属而已。在存储的过程中，系统根据 key 的 HashCode 来决定 Entry 在 table 数组中的存储位置，在取的过程中同样根据 key 的 HashCode 取出相对应的 Entry 对象（value 就包含在里面）。

9、HashMap 的 resize 方法的执行过程？

有两种情况会调用 resize 方法：

1. 第一次调用 HashMap 的 put 方法时，会调用 resize 方法对 table 数组进行初始化，如果不传入指定值，默认大小为 16。

2. 扩容时会调用 resize，即 size > threshold 时，table 数组大小翻倍。

每次扩容之后容量都是翻倍。扩容后要将原数组中的所有元素找到在新数组中合适的位置。

当我们把 table[i] 位置的所有 Node 迁移到 newtab 中去的时候：这里面的 node 要么在 newtab 的 i 位置（不变），要么在 newtab 的 i + n 位置。也就是我们可以这样处理：把 table[i] 这个桶中的 node 拆分为两个链表 l1 和 l2：如果 hash & n == 0，那么当前这个 node 被连接到 l1 链表；否则连接到 l2 链表。这样下来，当遍历完 table[i] 处的所有 node 的时候，我们得到两个链表 l1 和 l2，这时我们令 newtab[i] = l1，newtab[i + n] = l2，这就完成了 table[i] 位置所有 node 的迁移（rehash），这也是 HashMap 中容量一定的是 2 的整数次幂带来的方便之处。

10、HashMap 的 size 为什么必须是 2 的整数次方？

  1. 这样做总是能够保证 HashMap 的底层数组长度为 2 的 n 次方。当 length 为 2 的 n 次方时，h & (length - 1) 就相当于对 length 取模，而且速度比直接取模快得多，这是 HashMap 在速度上的一个优化。而且每次扩容时都是翻倍。

  2. 如果 length 为 2 的次幂，则 length - 1 转化为二进制必定是 11111……的形式，在与 h 的二进制进行与操作时效率会非常的快，而且空间不浪费。但是，如果 length 不是 2 的次幂，比如：length 为 15，则 length - 1 为 14，对应的二进制为 1110，在于 h 与操作，最后一位都为 0 ，而 0001，0011，0101，1001，1011，0111，1101 这几个位置永远都不能存放元素了，空间浪费相当大，更糟的是这种情况中，数组可以使用的位置比数组长度小了很多，这意味着进一步增加了碰撞的几率，减慢了查询的效率，这样就会造成空间的浪费。

11、HashMap 多线程死循环问题？

详细请阅读：

https://blog.csdn.net/xuefeng0707/article/details/40797085
https://blog.csdn.net/dgutliangxuan/article/details/78779448

主要是多线程同时 put 时，如果同时触发了 rehash 操作，会导致 HashMap 中的链表中出现循环节点，进而使得后面 get 的时候，会死循环。

12、HashMap 的 get 方法能否判断某个元素是否在 map 中？

HashMap 的 get 函数的返回值不能判断一个 key 是否包含在 map 中，因为 get 返回 null 有可能是不包含该 key，也有可能该 key 对应的 value 为 null。因为 HashMap 中允许 key 为 null，也允许 value 为 null。

13、HashMap 与 HashTable 的区别是什么？

  1. HashTable 基于 Dictionary 类，而 HashMap 是基于 AbstractMap。Dictionary 是任何可将键映射到相应值的类的抽象父类，而 AbstractMap 是基于 Map 接口的实现，它以最大限度地减少实现此接口所需的工作。

  2. HashMap 的 key 和 value 都允许为 null，而 Hashtable 的 key 和 value 都不允许为 null。HashMap 遇到 key 为 null 的时候，调用 putForNullKey 方法进行处理，而对 value 没有处理；Hashtable 遇到 null，直接返回 NullPointerException。

  3. Hashtable 是线程安全的，而 HashMap 不是线程安全的，但是我们也可以通过 Collections.synchronizedMap(hashMap)，使其实现同步。

HashTable的补充：

HashTable 和 HashMap 的实现原理几乎一样，差别无非是
1. HashTable 不允许 key 和 value 为 null；
2. HashTable 是线程安全的。但是 HashTable 线程安全的策略实现代价却太大了，简单粗暴，get/put 所有相关操作都是 synchronized 的，这相当于给整个哈希表加了一把大锁，多线程访问时候，只要有一个线程访问或操作该对象，那其他线程只能阻塞，相当于将所有的操作串行化，在竞争激烈的并发场景中性能就会非常差。
14、HashMap 与 ConcurrentHashMap 的区别是什么?

HashMap 不是线程安全的，而 ConcurrentHashMap 是线程安全的。

jdk 1.7中ConcurrentHashMap 采用锁分段技术，将整个Hash桶进行了分段segment，也就是将这个大的数组分成了几个小的片段 segment，而且每个小的片段 segment 上面都有锁存在，那么在插入元素的时候就需要先找到应该插入到哪一个片段 segment，然后再在这个片段上面进行插入，而且这里还需要获取 segment 锁，这样做明显减小了锁的粒度。

15、HashTable 和 ConcurrentHashMap 的区别？
HashTable 和 ConcurrentHashMap 相比，效率低。 Hashtable 之所以效率低主要是使用了 synchronized 关键字对 put 等操作进行加锁，而 synchronized 关键字加锁是对整张 Hash 表的，即每次锁住整张表让线程独占，致使效率低下，而 ConcurrentHashMap 在对象中保存了一个 Segment 数组，即将整个 Hash 表划分为多个分段；而每个Segment元素，即每个分段则类似于一个Hashtable；这样，在执行 put 操作时首先根据 hash 算法定位到元素属于哪个 Segment，然后对该 Segment 加锁即可，因此， ConcurrentHashMap 在多线程并发编程中可是实现多线程 put操作。
16、ConcurrentHashMap 的实现原理是什么？

数据结构

JDK 7：中 ConcurrentHashMap 采用了数组 + Segment + 分段锁的方式实现。
JDK 8：中 ConcurrentHashMap 参考了 JDK 8 HashMap 的实现，采用了数组 + 链表 + 红黑树的实现方式来设计，内部大量采用 CAS 操作。

ConcurrentHashMap 采用了非常精妙的"分段锁"策略，ConcurrentHashMap 的主干是个 Segment 数组。

final  Segment<K,V>[]  segments;

Segment 继承了 ReentrantLock，所以它就是一种可重入锁（ReentrantLock)。在 ConcurrentHashMap，一个 Segment 就是一个子哈希表，Segment 里维护了一个 HashEntry 数组，并发环境下，对于不同 Segment 的数据进行操作是不用考虑锁竞争的。就按默认的 ConcurrentLevel 为 16 来讲，理论上就允许 16 个线程并发执行。

所以，对于同一个 Segment 的操作才需考虑线程同步，不同的 Segment 则无需考虑。Segment 类似于 HashMap，一个 Segment 维护着一个HashEntry 数组：

transient  volatile  HashEntry<K,V>[]  table;

HashEntry 是目前我们提到的最小的逻辑处理单元了。一个 ConcurrentHashMap 维护一个 Segment 数组，一个 Segment 维护一个 HashEntry 数组。因此，ConcurrentHashMap 定位一个元素的过程需要进行两次 Hash 操作。第一次 Hash 定位到 Segment，第二次 Hash 定位到元素所在的链表的头部。

线程安全的HashMap有以下三种方式:
1.使用Hashtable
2.使用Collections.synchronizedMap()方法
3.使用concurrentHashMap

17、HashSet 的实现原理？

HashSet 的实现是依赖于 HashMap 的，HashSet 的值都是存储在 HashMap 中的。在 HashSet 的构造法中会初始化一个 HashMap 对象，HashSet 不允许值重复。因此，HashSet 的值是作为 HashMap 的 key 存储在 HashMap 中的，当存储的值已经存在时返回 false。

18、HashSet 怎么保证元素不重复的？
public boolean add(E e) {     return map.put(e, PRESENT)==null; }

元素值作为的是 map 的 key，map 的 value 则是 PRESENT 变量，这个变量只作为放入 map 时的一个占位符而存在，所以没什么实际用处。其实，这时候答案已经出来了：HashMap 的 key 是不能重复的，而这里HashSet 的元素又是作为了 map 的 key，当然也不能重复了。

19、LinkedHashMap 的实现原理?

LinkedHashMap 也是基于 HashMap 实现的，不同的是它定义了一个 Entry header，这个 header 不是放在 Table 里，它是额外独立出来的。LinkedHashMap 通过继承 hashMap 中的 Entry，并添加两个属性 Entry before，after 和 header 结合起来组成一个双向链表，来实现按插入顺序或访问顺序排序。

LinkedHashMap 定义了排序模式 accessOrder，该属性为 boolean 型变量，对于访问顺序，为 true；对于插入顺序，则为 false。一般情况下，不必指定排序模式，其迭代顺序即为默认为插入顺序。

20、Iterator 怎么使用？有什么特点？
迭代器是一种设计模式，它是一个对象，它可以遍历并选择序列中的对象，而开发人员不需要了解该序列的底层结构。迭代器通常被称为“轻量级”对象，因为创建它的代价小。Java 中的 Iterator 功能比较简单，并且只能单向移动：　　

  1. 使用方法 iterator() 要求容器返回一个 Iterator。第一次调用 Iterator 的 next() 方法时，它返回序列的第一个元素。注意：iterator() 方法是 java.lang.Iterable 接口，被 Collection 继承。　　

  2. 使用 next() 获得序列中的下一个元素。　

  3. 使用 hasNext() 检查序列中是否还有元素。　　

  4. 使用 remove() 将迭代器新返回的元素删除。　

21、 Iterator 和 ListIterator 有什么区别？

Iterator 可用来遍历 Set 和 List 集合，但是 ListIterator 只能用来遍历 List。Iterator 对集合只能是前向遍历，ListIterator 既可以前向也可以后向。ListIterator 实现了 Iterator 接口，并包含其他的功能，比如：增加元素，替换元素，获取前一个和后一个元素的索引等等。

22、Iterator 和 Enumeration 接口的区别？
与 Enumeration 相比，Iterator 更加安全，因为当一个集合正在被遍历的时候，它会阻止其它线程去修改集合。否则会抛出 ConcurrentModificationException 异常。这其实就是 fail-fast 机制。具体区别有三点：

  1. Iterator 的方法名比 Enumeration 更科学；

  2. Iterator 有 fail-fast 机制，比 Enumeration 更安全；

  3. Iterator 能够删除元素，Enumeration 并不能删除元素。

23、fail-fast 与 fail-safe 有什么区别？

Iterator 的 fail-fast 属性与当前的集合共同起作用，因此它不会受到集合中任何改动的影响。Java.util 包中的所有集合类都被设计为 fail-fast 的，而 java.util.concurrent 中的集合类都为 fail-safe 的。当检测到正在遍历的集合的结构被改变时，fail-fast 迭代器抛出ConcurrentModificationException，而 fail-safe 迭代器从不抛出 ConcurrentModificationException。

24、Collection 和 Collections 有什么区别？

Collection：是最基本的集合接口，一个 Collection 代表一组 Object，即 Collection 的元素。它的直接继承接口有 List，Set 和 Queue。

Collections：是不属于 Java 的集合框架的，它是集合类的一个工具类/帮助类。此类不能被实例化， 服务于 Java 的 Collection 框架。它包含有关集合操作的静态多态方法，实现对各种集合的搜索、排序、线程安全等操作。


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