java面试题-集合篇

た入场券 2023-09-27 14:41 117阅读 0赞

## Collection ##

### 1.Collection有哪些类？ ###

Java集合框架中的Collection接口是所有集合类的基础接口，定义了一些基本的集合操作，如添加元素、删除元素、判断是否包含某个元素等。常见的集合类包括List、Set和Queue。

**List**

List接口定义了按照索引访问和操作元素的方法。它允许元素重复，并且有序。在List中可以使用get()和set()方法访问指定位置的元素，使用add()和remove()方法添加和删除元素。

常见的List实现类有：

*  ArrayList：ArrayList 是一个基于动态数组的实现，支持随机访问，插入和删除操作效率低。

*  LinkedList：底层使用双向链表实现，插入和删除操作效率高，但随机访问效率低。

*  Vector：与ArrayList类似，但是线程安全，效率较低。

**Set**

Set接口表示一个不允许有重复元素的集合，实现类必须重写equals()方法和hashCode()方法。常见的Set实现类有：

*  HashSet：底层使用哈希表实现，无序，元素唯一。

*  LinkedHashSet：底层使用哈希表和链表实现，有序，元素唯一。

*  TreeSet：底层使用红黑树实现，有序，元素唯一。

**Queue**

Queue接口表示一个先进先出（FIFO）的队列。常见的Queue实现类有：

*  LinkedList：底层使用链表实现，效率较高，LinkedList实现了Queue接口，它支持在队列的头部和尾部进行元素的添加和删除操作，因此可以被用作栈、队列和双端队列。。

*  PriorityQueue：是一种基于优先级堆的Queue，它保证了每次取出的元素都是队列中优先级最高的元素。。

需要注意的是，这些集合类都是基于Object的，如果需要在集合中存储特定类型的元素，需要使用泛型。例如，List<String>表示一个只包含字符串元素的List。

### 2.讲一下ArrayList的底层实现？ ###

ArrayList 的底层实现基于数组，它继承了 AbstractList 抽象类并实现了 List 接口。下面是一些关于 ArrayList 的底层实现的细节：

1.  数组：ArrayList 的内部实现是一个数组，使用数组实现可以方便地进行随机访问，根据索引直接访问指定位置的元素。

1.  自动扩容：ArrayList 可以自动扩容以适应动态变化的容量需求，每次扩容会增加 50% 的容量。

1.  元素的添加：ArrayList 中的 add(E e) 方法会在末尾添加一个元素，如果当前容量不足，则会进行扩容。

1.  元素的删除：ArrayList 中的 remove(int index) 方法会删除指定索引位置的元素，将该位置后面的元素向前移动一位。

### **3.ArrayList自动扩容的具体实现？** ###

当调用**ArrayList**的**add**方法时，如果当前列表中的元素数量已经达到容量的极限，那么就需要自动扩容。扩容的过程就是创建一个新的数组，并将原来数组中的元素复制到新数组中。

默认情况下，**ArrayList**的容量是10。当第一个元素被添加时，内部数组会被初始化为长度为10的数组。当添加第11个元素时，原始数组将会被复制到一个新的长度为15的数组中，容量增加了50%。如果再添加元素，当超过了15个元素时，内部数组将再次扩容到新的长度为22的数组中。

当使用**ensureCapacity**方法增加数组容量时，**ArrayList**使用给定参数的最大值和当前容量的大小来决定新的容量大小。

private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
        // 判断是否需要扩容
        if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
            minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
        }
        ensureExplicitCapacity(minCapacity);
    }
    
    private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
        modCount++;
        // 判断是否需要扩容
        if (minCapacity - elementData.length > 0) {
            grow(minCapacity);
        }
    }
    
    private void grow(int minCapacity) {
        int oldCapacity = elementData.length;
        int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
        if (newCapacity - minCapacity < 0) {
            newCapacity = minCapacity;
        }
        if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0) {
            newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
        }
        elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
    }

扩容操作的代价是很高的，因此在实际使用时，我们应该尽量避免数组容量的扩张。当我们可预知要保存的元素的多少时，要在构造ArrayList实例时，就指定其容量，以避免数组扩容的发生。或者根据实际需求，通过调用ensureCapacity方法来手动增加ArrayList实例的容量。

### **4.ArrayList的Fail-Fast机制？** ###

在 Java 中，如果使用集合类的迭代器来遍历集合元素，而同时修改了集合中的元素，就有可能会发生 ConcurrentModificationException 异常。这是因为 Java 集合类的迭代器是快速失败（fail-fast）机制，如果在迭代集合时集合发生了结构性变化（例如添加或删除元素），迭代器就会立即抛出异常，而不是等到迭代完成再抛出异常。

ArrayList 是一个支持随机访问的序列容器，底层使用数组实现，所以在对 ArrayList 进行并发操作时，可能会出现不同步的问题，因此 ArrayList 也使用了快速失败机制来保证线程安全。

具体来说，如果在对 ArrayList 进行迭代操作的同时，对其进行增删改操作，会导致 ArrayList 的 modCount（修改次数）和迭代器的 expectedModCount（预期的修改次数）不一致，迭代器会立即抛出 ConcurrentModificationException 异常。

以下是一个简单的示例代码，用来演示 ArrayList 快速失败机制的工作原理：

List<Integer> list = new ArrayList<>(Arrays.asList(1, 2, 3, 4, 5, 6, 7));
    Iterator<Integer> iterator = list.iterator();
    while (iterator.hasNext()) {
        Integer element = iterator.next();
        if (element == 2) {
            list.remove(element);
        }
    }

在上面的示例代码中，我们在迭代过程中删除了元素 2，这会导致 ConcurrentModificationException 异常的抛出。为了避免出现这种情况，我们可以使用 Iterator 的 remove() 方法来进行元素的删除，或者使用线程安全的集合类，例如 CopyOnWriteArrayList。

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## MAP ##

### 1.Map有哪些实现类？ ###

Java中的Map接口定义了一个键值对映射的数据结构，可以通过给定的键快速查找对应的值。Map接口有很多实现类，常见的有以下几种：

1.  HashMap：基于哈希表实现的Map，支持null键和null值，非线程安全的。

1.  LinkedHashMap：基于哈希表和双向链表实现的Map，可以按照插入顺序或者访问顺序遍历键值对，非线程安全的。

1.  TreeMap：基于红黑树实现的Map，键值对按照自然顺序或者自定义顺序排序，非线程安全的。

1.  ConcurrentHashMap：线程安全的HashMap，使用分离锁来控制并发访问，支持高并发，可以通过一定的控制减小锁的竞争。

1.  Hashtable：早期Java版本中提供的线程安全的哈希表，支持null键和null值，但是效率较低，已经被ConcurrentHashMap取代。

1.  Properties：Hashtable的子类，用来读取和写入属性文件，通常用于读取配置文件。

除了以上这些常见的实现类，还有一些其他的实现类，比如WeakHashMap、IdentityHashMap、EnumMap等，不过它们使用的较少，一般只在特定场景下使用。

### 2.HashMap的底层实现（jdk7&jdk8）？ ###

**JDK7 的底层实现**

在 JDK7 中，HashMap 是通过数组和链表的结合来实现的。其基本思路是：将 key 通过哈希函数映射为数组下标，将 value 存储在对应的数组元素中。如果不同的 key 映射到了同一个数组下标，就会以链表的形式存储在该数组元素中。

HashMap 在 JDK7 中的底层结构主要由两部分组成：一个 Entry 数组和一个链表。其中，Entry 是 HashMap 的基本单元，它包含了 key、value 和指向下一个 Entry 的指针。当使用 put() 方法向 HashMap 中添加元素时，会根据 key 的哈希值计算出在数组中的位置，然后将 Entry 添加到该位置的链表中。如果两个不同的 key 哈希值相同，那么它们会被放到同一个链表中，形成一个链表结构。这就是 JDK7 中 HashMap 的基本实现原理。

然而，这种实现方式有一个严重的问题：当链表过长时，查询效率会大大降低，因为需要遍历整个链表才能找到对应的元素。在极端情况下，当所有的元素都映射到了同一个数组下标，HashMap 的时间复杂度就会退化到 O(n)，这就是所谓的哈希冲突问题。

**JDK8 的底层实现**

JDK8 中的 HashMap 对 JDK7 中的实现进行了优化，主要是通过引入红黑树来解决链表过长的问题。当链表长度超过一定阈值时（默认为 8），链表就会转换为红黑树。这样，在查询时，如果在链表中需要遍历的节点数量超过了阈值，就会使用红黑树进行快速查找，从而提高了查询的效率。

在 JDK8 中，HashMap 的底层结构主要由三部分组成：一个数组、一个链表和一个红黑树。当使用 put() 方法向 HashMap 中添加元素时，如果对应数组下标上已经存在元素，就会进行以下操作：

*  如果该元素是一个链表，就将新元素追加到链表的末尾。

*  如果该元素是一个红黑树，就在树中查找 key 对应的节点，然后将节点的 value 替换成新的 value。如果树中不存在对应的节点，就将新元素添加到树中。

*  如果该元素为 null，就直接在该数组的位置插入新的 Entry。

在 JDK8 中，HashMap 的 get() 方法的实现方式也发生了变化。在查询时，先根据 key 的哈希值计算出在数组中的位置，然后判断该位置上的元素是否为 null。如果为 null，则返回 null；如果不为 null，则判断该元素是链表还是红黑树。如果是链表，则遍历链表寻找对应的元素；如果是红黑树，则在树中进行查找。

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JDK8 中 HashMap 的优化主要体现在两个方面：

1.  引入红黑树，解决链表过长的问题，提高了查询效率。当链表长度超过一定阈值时，将链表转换为红黑树，避免了链表过长时查询效率下降的问题。

1.  除了对链表和红黑树的优化之外，JDK 8 还对哈希函数进行了改进。在 JDK 8 中，对于 key 的 hash 值，不再采用传统的取模运算（%）计算哈希桶的索引，而是采用了一种新的方式，使用 key 的 hash 值高位和低位进行异或运算，以此来增加哈希桶的分布性。这种新的方式能够更好地抵抗哈希冲突，从而提高了 HashMap 的性能。

1.  HashMap 将插入元素时使用的方式从头插法改为了尾插法，更好地支持并发操作。在多线程环境下，头插法容易导致多线程竞争同一个桶位，从而导致链表成环。成环后会导致链表转换成红黑树的操作失败，进而影响整个 HashMap 的性能。而尾插法不会导致链表成环，因此在多线程环境下更为安全。

总的来说，JDK8 中 HashMap 的底层实现相比于 JDK7 发生了较大的变化，通过引入红黑树和优化哈希算法，提高了 HashMap 的性能和稳定性。

### 3.HashSet的底层实现？ ###

HashSet 是基于 HashMap 实现的，底层是一个 HashMap 对象。在 HashSet 中，所有元素都是存储在一个 HashMap 的键上，而这个键的值则是一个静态的 Object 常量（通常是一个 dummy Object）。因此，HashSet 的实现过程可以简单概括为将所有元素作为 HashMap 的 key 存储，而 value 为一个静态的 Object 对象。

具体来说，HashSet 就是在 HashMap 的基础上去掉了 value，只保留了 key。在使用 HashSet 时，我们只需要调用 HashMap 的 put() 方法，把元素作为 key 插入 HashMap 中，value 则使用一个常量对象（例如 private static final Object PRESENT = new Object()）来占位即可。

相比于 HashMap，HashSet 的实现过程更为简单，因为它只需要存储键而不需要存储值。因此，HashSet 在大多数情况下比 HashMap 更加高效。同时，由于 HashSet 也是基于 HashMap 实现的，因此它们的底层实现也非常相似，可以复用 HashMap 的很多特性。

以下是 HashSet 的部分源码：

public class HashSet<E>
        extends AbstractSet<E>
        implements Set<E>, Cloneable, java.io.Serializable
    {
        // HashSet 底层就是一个 HashMap，所有元素作为 key 存储在 HashMap 中
        private transient HashMap<E,Object> map;
    
        // 常量对象，用于占位
        private static final Object PRESENT = new Object();
    
        public HashSet() {
            map = new HashMap<>();
        }
    
        public boolean add(E e) {
            return map.put(e, PRESENT)==null;
        }
    }

可以看到，在 HashSet 中，我们只需要调用 HashMap 的 put() 方法来将元素插入到 HashMap 中。这样做的好处是可以节省很多重复代码，而且可以复用 HashMap 的很多特性。同时，由于 HashSet 只存储键而不存储值，因此在大多数情况下比 HashMap 更加高效。

[ac848290d41818022daac1dbf87430bd.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/ac848290d41818022daac1dbf87430bd.png