类集框架面试

类集框架面试

List

java.util.Vector

1. Vector对几乎所有方法都加了锁，且大部分都是synchronized方法，包括get方法，锁的粒度较粗，性能较差，在jdk1.0版本就已经发布，很老旧的类，目前Java已经不推荐使用。

2. Vector初始默认容量为10，默认每次扩容为原来的一倍，可手动指定扩容大小

3. 数据存放在一个Object类型的数组中

4. 线程安全

java.util.ArrayList

1. 线程不安全

2. 默认初始容量为10，扩容每次增加原来的一半

   • oldCapacity + (oldCapacity >> 1)
     

3. 数据存储在Object类型的名为elementData的数组中，除此之外还有名为EMPTY_ELEMENTDATA的Object空数组用于空实例共享，名为DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA的Object类型空数组用于默认大小的空实例的共享空数组实例。我们将其与EMPTY_ELEMENTDATA区分开来，以知道在添加第一个元素时要膨胀多少。

4. 默认数组最大长度为Integer.MAX_VALUE - 8，这是因为有些虚拟机需要在数组中保留一些头字，如果尝试分配较大的数组可能会导致OutOfMemoryError

5. 每次扩容时会传递一个名为minCapacity的参数，该参数为当前长度+1，如果这个值是负数(超出int最大值会变为负数，补码+1)会抛出OOM，如果新空间大于最大长度，会调用hugeCapacity方法，该方法会判断当前容量+1是否已经超过最大长度，如果超过会返回Integer.MAX_VALUE，如果未超过会返回最大长度，也就是说并不一定在任何情况下扩容都是原来的1.5倍，有以下两种情况：

   1. 计算新容量后发现新容量比当前长度+1还要小（溢出等因素），新容量会改成当前长度+1
     	2. 计算新容量后发现比MAX_ARRAY_SIZE还要大，新容量会根据情况改为Integer.MAX_VALUE或者MAX_ARRAY_SIZE或者抛出OOM。
   

java.util.LinkedList

1. 线程不安全

2. 双向链表，存储结构为一个私有的静态内部类Node，结构如下

   • private static class Node<E> {
         E item;
         Node<E> next;
         Node<E> prev;
     
         Node(Node<E> prev, E element, Node<E> next) {
             this.item = element;
             this.next = next;
             this.prev = prev;
         }
     }
     

3. jdk1.6后加入了descendingIterator方法返回迭代器用于逆向遍历

4. 添加元素时int类型的size会++，但是源码中并没有考虑溢出的情况，没有判断也没有抛出任何异常

java.util.concurrent.CopyOnWriteArrayList

1. 线程安全（废话，JUC包下的）
2. 使用ReentrantLock加锁
3. 使用volatile修饰的Object类型的数组
4. 默认创建空数组
5. 读不加锁写加锁，且都是在finally中释放锁
6. 执行写操作时会调用Arrays.copyOf方法创建新数组，并在新数组中写，写后将原引用替换为新数组，所有操作都在加锁情况下进行，这样确定不会频繁触发gc？

Map

java.util.HashMap

1. 线程不安全

2. 成员变量

   1. DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4;
      /**
      *初始容量为16，必须为2的整数幂，原因后面会说
      */
      

   2. MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;
      /**
      *最大容量2的30次方
      */
      

   3. DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;
      /**
      *默认负载因子
      */
      

   4. TREEIFY_THRESHOLD = 8;
      /**
      *树化阈值，该值必须大于2，且至少应为8，才可以符合转化回链表的一个假设
      */
      

   5. UNTREEIFY_THRESHOLD = 6;
      /**
      *转回链表的阈值，应小于TREEIFY_THRESHOLD且不超过6
      */
      

   6. MIN_TREEIFY_CAPACITY = 64;
      /**
      *最小树化阈值，只有当哈希表容量大于该值，才允许进行树化，否则会进行一次扩容
      */
      

   7. static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
          final int hash;
          final K key;
          V value;
          Node<K,V> next;
      }
      /**
      *hash表基本结构
      */
      

   8. Node<K,V>[] table;
      /**
      *存放每一根链表的数组，在第一次使用时初始化
      */
      

   9. Set<Map.Entry<K,V>> entrySet;
      /**
      *键值对集合，没什么好说的
      */
      

   10. table数组会在第一次使用时初始化，第一次使用时会调用resize方法，在resize方法中会进行创建数组等操作

   11. 之所以使用8这个数字作为树化阈值，是因为当使用分布良好的哈希算法时，很少会树化，也就是说每一个桶中链表的长度很少可以达到8个。在理想情况下，使用随机hash算法，桶中节点的的频率（数量）服从泊松分布，当负载因子为0.75时，平均参数约为0.5，忽略方差，每一个桶中的节点数量的预期出现次数为 (exp(-0.5) * pow(0.5, k) / factorial(k))，即：

       •   出现次数   概率
             1:    0.30326533
             2:    0.07581633
             3:    0.01263606
             4:    0.00157952
             5:    0.00015795
             6:    0.00001316
             7:    0.00000094
             8:    0.00000006
         

       也就是说桶中节点数量达到8的概率为0.00000006，已经几乎是不可能事件了，所以采用8这个数字作为树化阈值。

   12. table数组的类型为Node，但是他也有可能存放TreeNode的根节点，TreeNode并非直接继承Node，而是

       • static final class TreeNode<K,V> extends LinkedHashMap.Entry<K,V>
         static class Entry<K,V> extends HashMap.Node<K,V> 
         

       也就是说其实TreeNode是Node的孙子而非儿子

   13. hash操作为取键的hashcode方法的返回值记为h，然后h ^ (h >>> 16)取得最终哈希码，即保留高16位并将低16位与高16异或的结果作为低16位

   14. 取得桶的位置的方式为(n - 1) & hash，其中n为table的大小，很好理解，假设table大小为16，那n - 1就是15，15&任意一个数的结果都不会超过15，所以就不会造成数组越界

   15. 初始容量可以自己设置，比如设置15，但是他会计算出一个大于15且是2的整数幂的数存在threshold变量中，该变量代表下一次resize时的数组大小，由于HashMap会在第一次使用时才创建table，而创建table时会调用resize方法，所以即便一开始传入的初始容量不是2的整数幂，也依然会创建一个符合HashMap建议的table

   16. 之所以HashMap要求table容量一直是2的整数幂，是因为在计算桶的位置时，采用的方式是(n - 1) & hash，2的整数幂减去1后的二进制应该是全1，这样一来再进行与运算，可以保证充分的散列，减少hash碰撞，使元素均匀的落到table中

java.util.LinkedHashMap

1. 线程不安全
2. 继承于HashMap
3. TreeNode继承于HashMap.Node，增加了before和after字段
4. accessOrder字段标记了是访问顺序还是插入顺序
5. 总体跟HashMap差不多

java.util.HashTable

1. 线程安全
2. 使用类型为Entry的数组table来存储数据
3. 默认初始容量为11，默认负载因子为0.75
4. hash算法为计h为键的hashcode方法的返回值，index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length，其中0x7FFFFFFF为首位为0其他位都为1的数，即整数最大值，通过取余防止数组越界
5. 通过synchronized方法保证同步线程安全
6. 当元素个数超过容量*负载因子时，会触发rehash方法
7. 扩容为原来的二倍+1
8. 扩容后重新计算hash并存入新的数组中
9. 没有继承AbstractMap而是继承与Dictionary，但实现了Map接口
10. 同样采用链地址法解决冲突
11. iterator遍历过程中其他线程对Hashtable的put、 remove、clear操作都会被成功执行，所以现在并不推荐使用hashtable

java.util.concurrent.ConcurrentHashMap

1. 线程安全

2. 大部分成员变量与HashMap一样，新增的为：

   1. MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;
      /**
      *数组最大可能长度，toArray和一些方法会用到
      */
      

   2. DEFAULT_CONCURRENCY_LEVEL = 16;
      /**
      *并发级别，为了兼容性从之前版本遗留下来的，因为JDK1.8之前ConccurentHashMap保存的是一个个Segment，这个值设定的就是Segment的数量，也就是说设置为16之后，就有16个Segment，而Segment数组一旦初始化后是不能进行扩容的，所以他就会一直保持16的并行度，也就是说最多同时允许16个线程执行安全的并发写操作，当然这是在每一个线程操作的Segment都不同的基础上。
      */
      

   3. MIN_TRANSFER_STRIDE = 16;
      /**
      *重新绑定每一个转换步骤的最小值
      */
      

   4. RESIZE_STAMP_BITS = 16;
      /**
      *sizeCtl中用于生成戳的位数，32位的数组至少为6
      */
      

   5. MAX_RESIZERS = (1 << (32 - RESIZE_STAMP_BITS)) - 1;
      /**
      *帮助调整大小的线程的数量
      */
      

   6. RESIZE_STAMP_SHIFT = 32 - RESIZE_STAMP_BITS;
      /**
      *sizeCtl中记录大小标志的位变换
      */
      

   7. int MOVED = -1; //表明当前正在扩容中，当前的节点元素已经被转移到新table中，头元素hash = -1。
      int TREEBIN = -2; //表示当前的桶是一个红黑二叉树桶，头元素hash = -2。
      int RESERVED = -3; //一般用于当key对应的值缺失需要计算的场景，在计算出新值之前临时占坑位用的，计算出来之后就用普通Node节点替换掉，头元素hash = -3。
      int HASH_BITS = 0x7fffffff; //正常节点哈希的可用位
      

3. 桶列表table默认初始大小为16，最大为2^31，负载因子为0.75，当桶中普通链表的元素数量超过8个就会转成红黑树，当桶中红黑树的元素减少到6个就会转成普通的单链表形式。在扩容的过程中，每个线程转移数据的索引数量步伐为Max(NCPU > 1 ? (n >>> 3) / NCPU : n, 16)，最小值为16，其中NCPU就是CPU的核心数。

4. 对于table大小为n的表格，其散列计算方法为((hash^(hash >>> 16))&0X7FFFFFFF) & n，其中n为2的幂值(n = 2^x)

5. ConcurrentHashMap使用的锁分段技术，首先将数据分成一段一段的存储**，**然后给每一段数据配一把锁，当一个线程占用锁修改其中一个段数据的时候，其他段的数据也能被其他线程访问

6. ConcurrentHashMap中频繁使用到了UnSafe类中的native方法，主要用到的有Unsafe.putObjectVolatile(obj,long,obj2)、 Unsafe.getObjectVolatile、 Unsafe.putOrderedObject等，在这些本地方法中，有write_barrier和read_barrier这两个内存屏障，对应的就是硬件的写屏障和读屏障，JMM中的LoadLoad、LoadStore、StoreStore、StoreLoad四个内存屏障就是基于这两个内存屏障做的

7. ConcurrentHashMap中保存了一个Segment类型的数组，Segment类继承自ReentrantLock来实现加锁，所以每次锁住的就是数组中的一个Segment。

8. 每一个Segement中保存了一个HashEntry类型的数组，这就基本对应到了HashMap中的table了。其中还有一个字段为MAX_SCAN_RETRIES = Runtime.getRuntime().availableProcessors() > 1 ? 64 : 1;用来保存在scanAndLockForPut方法中自旋获取锁的最大自选次数

9. scanAndLockForPut方法中，会用一个while循环尝试获取锁，每次循环会把初始值为-1的retries变量+1，如果retries>MAX_SCAN_RETRIES，就直接进入阻塞状态，如果尝试获取锁失败，就会遍历一遍对应的链表，找到需要put的所在位置，这样可以把遍历过的entry都放入高速缓存中，当获取到锁时再次定位就会非常高效。

10. 在put方法中，会首先尝试获取锁，如果没有获取到就会调用scanAndLockForPut获取锁，由于table本身被volatile关键字修饰，而且put方法已经加了锁，所以在put方法中的变量都没有加volatile关键字，这是如果加了volatile的话编译器就无法对这些变量涉及到的代码进行优化，所以在put方法中将table赋值给了一个局部变量，也是为了这样的优化提升性能

11. 在jdk1.8中，也引入了红黑树，而且取消掉了Segement数组，变成了直接对Node进行加锁，这里加锁就直接采用了synchronized块进行加锁，虽说这玩意被优化过(锁膨胀技术)，但是总感觉效率是不如juc包中的锁的。

java.util.TreeMap

1. 线程不安全

2. 成员变量

   1. final Comparator<? super K> comparator;//保存了键的比较器
      

   2. Entry<K,V> root;//红黑树根节点
      

3. 数据结构就是一颗红黑树，没什么好说的，需要注意的一点是Entry中还保存了一个parent属性，可以通过孩子节点找到父节点

Set

java.util.HashSet

1. 线程不安全

2. 成员变量

   1. HashMap<E,Object> map;//保存了一个HashMap
      

   2. Object PRESENT = new Object();//存放到HashMap中的Value值
      

3. 基本所有方法都是调用了HashMap的方法，add方法中调用map.put方法，键就是键，传进去的值是PRESENT。

4. 其他什么容量扩容之类的都与HashMap保持一致

java.util.LinkedHashSet

1. 线程不安全

2. 记录了前一个和后一个节点

3. 继承自HashSet，而且除了迭代器以外全部用的是HashSet的方法，而HashSet中保存的是一个HashMap，HashMap如何记录前后节点呢？在HashSet的构造方法中，有这样一个重载

   1. HashSet(int initialCapacity, float loadFactor, boolean dummy) {
          map = new LinkedHashMap<>(initialCapacity, loadFactor);
      }
      

   实际上LinkedHashSet的构造方法中就是调用了父类HashSet的这个重载后的构造，这个构造将自己保存的HashMap创建成了LinkedHashMap(LinkedHashMap继承自HashMap)，所以自然就可以保存前后关系啦。

java.util.TreeSet

1. 线程不安全

2. 成员变量

   1. NavigableMap<E,Object> m;//保存了一个可导航的Map
      

   2. Object PRESENT = new Object();//跟其他Set一样保存了一个空的值对象
      

3. 在构造方法中给m创建了TreeMap对象，并且基本所有方法都是直接调用的TreeMap中的方法。