集合的问题

李家沱
195 阅读16分钟

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HashMap 的底层数据结构

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HashMap 的底层数据结构是一个数组和链表或红黑树。具体来说，HashMap 内部维护了一个数组 table，数组中的每个元素称为桶（bucket），每个桶里存放着一个链表或红黑树。

当我们往 HashMap 中添加一个键值对时，首先会根据键的哈希值计算出该键值对在数组中的索引位置。如果该索引位置上已经有链表或红黑树存在，则遍历链表或红黑树，查找是否已经存在相同的键，如果存在则更新对应的值，否则将该键值对插入到链表或红黑树的头部。如果该索引位置上没有链表或红黑树存在，则创建一个新的链表或红黑树，并将键值对插入到头部。

当我们从 HashMap 中获取一个键的值时，首先也会根据键的哈希值计算出该键值对在数组中的索引位置，然后遍历链表或红黑树，查找是否存在该键，如果存在则返回对应的值，否则返回 null。

HashMap 内部使用链表或红黑树的数据结构是为了解决哈希冲突的问题。当哈希冲突比较少时，使用链表就可以满足需求；当哈希冲突比较多时，使用红黑树可以提高查询效率。

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为什么使用“数组+链表”

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使用"数组+链表"的主要原因是为了解决哈希冲突的问题。哈希函数将键映射到桶的位置时，不同的键可能会映射到同一个桶的位置，这就是哈希冲突。

当哈希冲突发生时，HashMap 使用链表将多个键值对存储在同一个桶中，可以避免将每个键值对都存储在不同的桶中，从而节省空间。同时，使用链表可以在桶中快速插入和删除键值对。

但是，当链表长度过长时，遍历链表的时间复杂度会变高，因此，为了提高性能，JDK1.8 中引入了红黑树。当链表长度达到一定阈值时，将链表转化为红黑树，可以大大提高查找键值对的效率。同时，当红黑树节点数量过少时，又会将红黑树转化为链表，避免过多的空间浪费。

因此，使用"数组+链表（或红黑树）"的数据结构，可以兼顾空间效率和时间效率，有效地解决了哈希冲突的问题。

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为什么要改成“数组+链表+红黑树”

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在 JDK 1.8 之前的版本中，HashMap 使用的是"数组+链表"的数据结构来实现。但是，在某些情况下，当哈希冲突较为严重时，使用链表会导致查询效率变低。这时候，如果能够将链表转化为平衡二叉树，可以大大提高查询效率。因此，在 JDK 1.8 中，HashMap 的实现被改进，采用了"数组+链表+红黑树"的数据结构来实现。

当桶中的元素较多时，HashMap 会将链表转化为红黑树。这样，当需要查找元素时，就可以采用红黑树的高效查找方式，而不是简单地遍历整个链表。由于红黑树的时间复杂度为 O(log n)，所以在一些场景下，使用"数组+链表+红黑树"的数据结构可以提高 HashMap 的查询效率。

总的来说，"数组+链表+红黑树"的数据结构可以更好地平衡空间效率和时间效率，并且能够应对哈希冲突的各种情况，使 HashMap 的性能更加稳定和高效。

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那在什么时候用链表？什么时候用红黑树？

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在 HashMap 中，元素存储的数据结构是链表和红黑树。具体使用哪种数据结构取决于桶中元素的数量。

当桶中的元素较少时，HashMap 会使用链表存储元素。因为当元素数量较少时，遍历链表的时间复杂度是比较低的，这时使用链表能够保证性能和空间的平衡。

当桶中的元素较多时，HashMap 会使用红黑树存储元素。红黑树的时间复杂度为 O(log n)，在查找元素时效率更高。而且当元素数量很大时，使用链表会使桶中的元素过于分散，导致遍历时间变长，因此使用红黑树可以更好地平衡时间和空间效率。

在 JDK 1.8 中，HashMap 会将链表转化为红黑树的阈值为 8，也就是说，当一个桶中的元素数量超过 8 时，会将链表转化为红黑树。当元素数量少于等于 8 时，HashMap 会使用链表存储元素，以保证查询效率和空间利用率的平衡。

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为什么链表转红黑树的阈值是8？

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在 HashMap 中，链表转红黑树的阈值是 8，是经过多次实验得出的一个最优值。具体来说，阈值的设定需要考虑以下两个方面的因素：

  1. 时间复杂度：当桶中元素数量很少时，使用链表进行元素存储和查找的时间复杂度是很低的，而转化为红黑树的时间复杂度会稍微高一些。因此，如果阈值设置得太小，就会导致过多的链表转化为红黑树，从而增加查找和插入的时间复杂度。

  2. 空间复杂度：当桶中元素数量较多时，使用链表进行元素存储的空间复杂度会相对较高，而使用红黑树可以降低空间的使用率。因此，如果阈值设置得太大，就会导致较多的元素使用链表进行存储，从而浪费较多的空间。

综合考虑时间复杂度和空间复杂度的因素，经过实验测试，阈值设置为 8 是一个比较优秀的选择，可以在保证时间复杂度和空间复杂度的平衡的同时，提高查询和插入的效率。

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那为什么转回链表节点是用的6而不是复用8？

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当哈希表中元素的数量减少时，如果桶中的元素数量小于等于 6，HashMap 会将红黑树转化为链表。这个阈值 6 是在 JDK 1.8 中对 HashMap 进行优化时设置的。

有人可能会觉得阈值 6 不应该和阈值 8 不一样，因为它们都是红黑树转链表的阈值。但是，在哈希表中，当元素数量变小时，由于空间占用变小，链表存储元素的效率就会变高。而转化为红黑树的主要目的是为了提高查找效率，当元素数量减少时，恢复为链表可以更好地平衡时间和空间的利用。

此外，由于红黑树在内存中占用的空间比链表更大，因此，当元素数量减少时，将红黑树转化为链表可以节省内存空间。如果阈值设置得太大，就会导致过多的元素使用红黑树进行存储，从而浪费较多的内存空间。

因此，为了更好地平衡时间和空间效率，阈值 6 在实际测试中被证明是一个较为合适的值。

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HashMap 有哪些重要属性？分别用于做什么的？

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在 Java 中，HashMap 是一个非常重要的集合类，用于存储键值对（key-value）的映射关系。以下是 HashMap 中的一些重要属性：

  1. table：HashMap 的底层数据结构，存储了所有的键值对。table 是一个数组，每个数组元素称为“桶”，一个桶可以存放多个键值对，如果多个键值对在哈希计算后的索引位置相同，则会被存储在同一个桶中。

  2. threshold：表示 HashMap 中的键值对数量达到多少时需要进行扩容操作。默认值为初始容量（capacity）乘以负载因子（load factor）。

  3. loadFactor：表示 HashMap 的负载因子，用于计算 threshold 的值。当 HashMap 中的键值对数量超过 threshold 时，就需要对 HashMap 进行扩容。负载因子默认为 0.75，可以通过构造函数进行指定。

  4. size：表示 HashMap 中键值对的数量。

  5. modCount：用于实现 HashMap 的迭代器（Iterator），表示 HashMap 结构发生变化的次数。每次进行增删操作，modCount 的值就会增加 1。

这些属性在 HashMap 的实现中都扮演了重要的角色，其中，table 用于存储数据，threshold 和 loadFactor 用于控制 HashMap 的扩容，size 用于记录 HashMap 中键值对的数量，modCount 则用于实现 HashMap 的迭代器。了解这些属性可以帮助我们更好地理解 HashMap 的实现原理。

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HashMap 的默认初始容量是多少？HashMap 的容量有什么限制吗？

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HashMap 的默认初始容量是 16，这个值是在 JDK 1.8 中设置的。在 JDK 1.7 及之前的版本中，HashMap 的默认初始容量是 16，但负载因子的默认值为 0.75。

HashMap 的容量没有明确的限制，但由于它是基于数组实现的，因此实际上是受到数组长度的限制。在 JDK 1.8 中，HashMap 采用了自适应的方式进行扩容，即在当前容量（capacity）超过了阈值（threshold）时，会自动进行扩容操作。在扩容时，HashMap 会将数组长度翻倍，即 capacity *= 2，并重新计算 threshold 的值。

需要注意的是，如果在构造 HashMap 时指定了初始容量，那么实际的初始容量将会被调整为大于等于这个值的最小的 2 的幂。这是为了保证 HashMap 的容量始终是 2 的幂次方，这样可以提高哈希算法的效率，减少哈希冲突的发生概率。

总之，HashMap 的容量没有明确的限制，但需要注意的是，如果容量过大，会占用过多的内存空间，如果容量过小，则会导致哈希冲突的发生概率增大，从而降低 HashMap 的效率。因此，在使用 HashMap 时，需要根据实际情况进行合理的容量设置。

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HashMap 是线程安全的吗？

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HashMap 不是线程安全的，它是一种非线程安全的数据结构。多个线程同时对 HashMap 进行读写操作时，可能会导致数据的不一致性或者异常。

例如，在一个线程对 HashMap 进行扩容的过程中，另一个线程进行读取操作，可能会读取到一个不一致的状态。此外，当多个线程同时进行写操作时，可能会导致链表或红黑树的结构被破坏，从而出现链表成环或者链表断裂等情况，进而导致数据的不一致性或者异常。

为了保证线程安全，可以使用 Java 提供的 ConcurrentHashMap 类，它是一种线程安全的哈希表实现，可以支持高并发的读写操作。ConcurrentHashMap 在内部使用了锁分段技术，将整个哈希表分成了多个段（Segment），每个段都拥有自己的锁，不同的段之间可以同时进行读写操作，从而提高了并发性能。

除此之外，也可以使用 Collections.synchronizedMap() 方法对 HashMap 进行包装，得到一个线程安全的 Map 实例。但需要注意的是，使用该方法包装 HashMap 会对所有的读写操作进行同步，可能会导致性能的下降，因此建议在多线程环境下使用 ConcurrentHashMap。

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LinkedHashMap 和 TreeMap 排序的区别

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LinkedHashMap 和 TreeMap 都是基于红黑树实现的有序 Map，它们都可以按照键的自然顺序或者自定义顺序进行排序，但它们的实现方式略有不同。

LinkedHashMap 是基于哈希表和双向链表实现的有序 Map。它内部维护了一个双向链表，用于维护插入顺序或者访问顺序。在插入元素时，LinkedHashMap 会将元素插入到链表的尾部，从而保证元素的插入顺序。在访问元素时，LinkedHashMap 会将被访问的元素移动到链表的尾部，从而保证元素的访问顺序。由于 LinkedHashMap 同时使用了哈希表和链表，因此它既能够快速查找元素，又能够保持元素的插入顺序或者访问顺序。

TreeMap 则是基于红黑树实现的有序 Map。它内部维护了一棵红黑树，用于维护元素的顺序。在插入元素时，TreeMap 会根据键的比较结果，将元素插入到合适的位置上，从而保证元素的排序。在查询元素时，TreeMap 会利用红黑树的特性，快速地定位到目标元素的位置，从而实现快速的查找操作。

LinkedHashMap 和 TreeMap 的主要区别在于它们维护元素顺序的方式不同。LinkedHashMap 通过双向链表维护插入顺序或者访问顺序，而 TreeMap 则是通过红黑树维护元素的排序。由于红黑树的高度始终保持在一个较小的范围内，因此 TreeMap 的查找操作通常比 LinkedHashMap 更快。但 LinkedHashMap 可以更好地支持 LRU 缓存等场景，因为它可以很方便地维护元素的访问顺序。

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HashMap 和 Hashtable 的区别？

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HashMap 和 Hashtable 都是 Java 中的 Map 实现，它们都可以用于存储键值对，但它们之间也存在一些区别。

  1. 线程安全性：Hashtable 是线程安全的，而 HashMap 不是。Hashtable 的所有公共方法都是同步的，因此多个线程可以安全地同时访问 Hashtable。而 HashMap 不是线程安全的，如果多个线程同时访问 HashMap，可能会导致数据不一致或者出现其他错误。

  2. Null 值：Hashtable 不允许键或值为 null，否则会抛出 NullPointerException。而 HashMap 允许键或值为 null，但是需要注意的是，如果键为 null，它只能被映射到一个桶中，因此 HashMap 中只能有一个键为 null 的键值对。

  3. 迭代顺序：Hashtable 迭代元素的顺序是随机的，而 HashMap 迭代元素的顺序是不确定的，它是基于哈希算法来确定的。

  4. 继承关系：Hashtable 是 Dictionary 类的子类，而 HashMap 是 AbstractMap 类的子类。

  5. 性能：HashMap 的性能通常要比 Hashtable 好，因为 HashMap 不是线程安全的，因此不需要进行同步操作，而 Hashtable 需要进行同步操作，因此性能上会有一些损失。

综上所述，如果需要线程安全的 Map，可以使用 Hashtable；如果不需要线程安全的 Map，可以使用 HashMap。另外，由于 HashMap 的性能通常要比 Hashtable 好，因此在大多数情况下，建议使用 HashMap。

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ArrayList 和 Vector 的区别。

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ArrayList 和 Vector 都是 Java 中的 List 实现，它们都可以用于存储一组对象，并且可以根据索引值快速访问其中的元素。它们之间的区别如下：

  1. 线程安全性：Vector 是线程安全的，而 ArrayList 不是。Vector 的所有公共方法都是同步的，因此多个线程可以安全地同时访问 Vector。而 ArrayList 不是线程安全的，如果多个线程同时访问 ArrayList，可能会导致数据不一致或者出现其他错误。

  2. 扩容方式：Vector 扩容时默认增加一倍，而 ArrayList 扩容时默认增加一半。Vector 在扩容时会申请一块新的内存，并将原有的元素全部复制到新的内存空间中，这样可能会导致一些性能损失。而 ArrayList 在扩容时也会申请一块新的内存，但它只会复制一半的元素到新的内存空间中，因此可能会有更好的性能表现。

  3. 初始大小：Vector 的默认初始大小为 10，而 ArrayList 的默认初始大小为 0。在实际使用中，ArrayList 会根据实际需要动态地增加其容量，因此初始大小不是非常重要。

  4. 继承关系：Vector 是 AbstractList 类的子类，而 ArrayList 是 AbstractList 类的子类。

综上所述，如果需要线程安全的 List，可以使用 Vector；如果不需要线程安全的 List，可以使用 ArrayList。由于 ArrayList 的性能通常要比 Vector 好，因此在大多数情况下，建议使用 ArrayList。

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ArrayList 和 LinkedList 的区别？

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ArrayList 和 LinkedList 都是 Java 中的 List 实现，它们都可以用于存储一组对象，并且可以根据索引值快速访问其中的元素，但它们之间也存在一些区别。

  1. 内部数据结构：ArrayList 是基于数组实现的，而 LinkedList 是基于双向链表实现的。因此，在随机访问时，ArrayList 的性能更好，而在插入或删除元素时，LinkedList 的性能更好。

  2. 插入和删除操作的性能：在插入或删除元素时，LinkedList 的性能比 ArrayList 更好，因为在 LinkedList 中只需要修改指针即可，而在 ArrayList 中需要移动元素。

  3. 随机访问的性能：在随机访问时，ArrayList 的性能比 LinkedList 更好，因为 ArrayList 中的元素是连续存储的，可以通过索引值快速访问，而 LinkedList 中的元素是通过指针连接的，需要遍历链表才能访问。

  4. 内存占用：在存储相同数量的元素时，LinkedList 占用的内存比 ArrayList 更多，因为 LinkedList 需要存储指向前后节点的指针。

  5. 迭代器的性能：在迭代元素时，LinkedList 的性能比 ArrayList 更好，因为在 LinkedList 中，通过迭代器遍历元素比通过索引值访问元素更快。

综上所述，如果需要频繁地插入或删除元素，可以使用 LinkedList；如果需要频繁地随机访问元素，可以使用 ArrayList。另外，由于 ArrayList 的内存占用更少，因此在存储大量数据时，建议使用 ArrayList。

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Collection 与 Collections的区别

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Collection 和 Collections 是两个不同的概念。

Collection 是 Java 集合框架的根接口，用于表示一组对象，提供了一些通用的方法，如添加、删除、遍历等。

Collections 是一个包装类，提供了一系列静态方法，用于操作集合，如排序、查找、复制等。它提供的方法都是静态的，可以直接通过类名调用，例如 Collections.sort(list)。

因此，Collection 表示一组对象的接口，而 Collections 是对集合操作的工具类。它们之间的关系是 Collection 是所有集合类的顶级接口，而 Collections 是对 Collection 接口的实现提供了一些算法方法的辅助类。

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