Java集合类面试题

Java集合类面试题

1、集合总结

Collection

Set

TreeSet：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)。

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。

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

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

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

Map

TreeMap：基于红黑树实现。
HashMap：基于哈希表实现。
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。
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？

1. 是否保证线程安全： ArrayList 和 LinkedList 都是不同步的，也就是不保证线程安全；
2. 底层数据结构： Arraylist 底层使用的是Object数组；LinkedList 底层使用的是双向循环链表数据结构；
3. 插入和删除是否受元素位置的影响： ① ArrayList 采用数组存储，所以插入和删除元素的时间复杂度受元素位置的影响。 比如：执行add(E e)方法的时候， ArrayList 会默认在将指定的元素追加到此列表的末尾，这种情况时间复杂度就是O(1)。但是如果要在指定位置 i 插入和删除元素的话（add(int index, E element)）时间复杂度就为 O(n-i)。因为在进行上述操作的时候集合中第 i 和第 i 个元素之后的(n-i)个元素都要执行向后位/向前移一位的操作。 ② LinkedList 采用链表存储，所以插入，删除元素时间复杂度不受元素位置的影响，都是近似 O（1）而数组为近似 O（n）。
4. 是否支持快速随机访问： LinkedList 不支持高效的随机元素访问，而ArrayList 实现了RandmoAccess 接口，所以有随机访问功能。快速随机访问就是通过元素的序号快速获取元素对象(对应于get(int index)方法)。
5. 内存空间占用： ArrayList的空 间浪费主要体现在在list列表的结尾会预留一定的容量空间，而LinkedList的空间花费则体现在它的每一个元素都需要消耗比ArrayList更多的空间（因为要存放直接后继和直接前驱以及数据）。

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。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。

Java集合类中元素的访问分为随机访问和顺序访问。随机访问一般是通过index下标访问，行为类似数组的访问。而顺序访问类似于链表的访问，通常为迭代器遍历。
以List接口及其实例为例。ArrayList是典型的随机访问型，而LinkedList则是顺序访问型。List接口既定义了下标访问方法又定义了迭代器方法。所以其实例既可使用下标随机访问也可以使用迭代器进行遍历。但这两种方式的性能差异很明显。

RandomAccess接口
JDK中的RandomAccess接口是一个标记接口，它并未定义方法。其目的是用于指示实现类具有随机访问特性，在遍历时使用下标访问较迭代器更快。

4.ArrayList 的扩容机制？

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：
3. 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；

4. 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；

5. 如果你要使用多维数组，使用 [ ][ ] 比 List> 更容易。

6.什么是Iterator？

一些集合类提供了内容遍历的功能，通过java.util.Iterator接口。这些接口允许遍历对象的集合。依次操作每个元素对象。当使用 Iterators时，在获得Iterator的时候包含一个集合快照。通常在遍历一个Iterator的时候不建议修改集合本省。

7.Iterator与ListIterator有什么区别？

1. Iterator：只能正向遍历集合，适用于获取移除元素。ListIerator：继承Iterator，可以双向列表的遍历，同样支持元素的修改。
2. Iterator可以遍历Set和List集合，而ListIterator只能遍历List
3. ListIterator从Iterator接口继承，然后添加了一些额外的功能，比如添加一个元素、替换一个元素、获取前面或后面元素的索引位置。

8.什么叫做快速失败特性？

从高级别层次来说快速失败是一个系统或软件对于其故障做出的响应。一个快速失败系统设计用来即时报告可能会导致失败的任何故障情况，它通常用来停止正常的操作而不是尝试继续做可能有缺陷的工作。当有问题发生时，快速失败系统即时可见地发错错误告警。在Java中，快速失败与iterators有关。如果一个iterator在集合对象上创建了，其它线程欲“结构化”的修改该集合对象，并发修改异常 （ConcurrentModificationException） 抛出。

9.为什么Vector类认为是废弃的或者是非官方地不推荐使用？或者说为什么我们应该一直使用ArrayList而不是Vector？

默认情况下你是非同步访问的，Vector同步了每个方法，你几乎从不要那样做，通常有想要同步的是整个操作序列。同步单个的操作也不安全（如果你迭代一个Vector，你还是要加锁，以避免其它线程在同一时刻改变集合）.而且效率更慢。当然同样有锁的开销即使你不需要，这是个很糟糕的方法在默认情况下同步访问。你可以一直使用Collections.sychronizedList来装饰一个集合。

事实上Vector结合了“可变数组”的集合和同步每个操作的实现。这是另外一个设计上的缺陷。Vector还有些遗留的方法在枚举和元素获取的方法，这些方法不同于List接口，如果这些方法在代码中程序员更趋向于想用它。尽管枚举速度更快，但是他们不能检查如果集合在迭代的时候修改了，这样将导致问题。尽管以上诸多原因，Oracle也从没宣称过要废弃Vector。

10.哪些集合类提供对元素的随机访问？

ArrayList、HashMap、TreeMap和HashTable类提供对元素的随机访问。

11.哪些集合类是线程安全的？

Vector、HashTable、Properties和Stack是同步类，所以它们是线程安全的，可以在多线程环境下使用。

12.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。

13.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。

14. 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）。

15.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。

16.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。

17.HashMap 多线程死循环问题？

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。

18.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。

19.HashMap 与 HashTable 的区别是什么？

1. 线程是否安全： HashMap 是非线程安全的，HashTable 是线程安全的；HashTable 内部的方法基本都经过 synchronized 修饰。（如果你要保证线程安全的话就使用 ConcurrentHashMap 吧！）；
2. 效率： 因为线程安全的问题，HashMap 要比 HashTable 效率高一点。另外，HashTable 基本被淘汰，不要在代码中使用它；
3. 对Null key 和Null value的支持： HashMap 中，null 可以作为键，这样的键只有一个，可以有一个或多个键所对应的值为 null。。但是在 HashTable 中 put 进的键值只要有一个 null，直接抛出 NullPointerException。
4. 初始容量大小和每次扩充容量大小的不同 ： ①创建时如果不指定容量初始值，Hashtable 默认的初始大小为11，之后每次扩充，容量变为原来的2n+1。HashMap 默认的初始化大小为16。之后每次扩充，容量变为原来的2倍。②创建时如果给定了容量初始值，那么 Hashtable 会直接使用你给定的大小，而 HashMap 会将其扩充为2的幂次方大小。也就是说 HashMap 总是使用2的幂作为哈希表的大小,后面会介绍到为什么是2的幂次方。
5. 底层数据结构： JDK1.8 以后的 HashMap 在解决哈希冲突时有了较大的变化，当链表长度大于阈值（默认为8）时，将链表转化为红黑树，以减少搜索时间。Hashtable 没有这样的机制。

补充： 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。

20. 为什么String, Interger这样的wrapper类适合作为键？

String, Interger这样的wrapper类作为HashMap的键是再适合不过了，而且String最为常用。因为String是不可变的，也是final的，而且已经重写了equals()和hashCode()方法了。其他的wrapper类也有这个特点。不可变性是必要的，因为为了要计算hashCode()，就要防止键值改变，如果键值在放入时和获取时返回不同的hashcode的话，那么就不能从HashMap中找到你想要的对象。不可变性还有其他的优点如线程安全。如果你可以仅仅通过将某个field声明成final就能保证hashCode是不变的，那么请这么做吧。因为获取对象的时候要用到equals()和hashCode()方法，那么键对象正确的重写这两个方法是非常重要的。如果两个不相等的对象返回不同的hashcode的话，那么碰撞的几率就会小些，这样就能提高HashMap的性能。

21.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。

22. 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。

23.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。

24.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。

25.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。

26.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。

27.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。

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。

28.ConcurrentHashMap 的实现原理是什么？

• 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[] 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[] 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。

29.为什么 Collection 不能继承 Cloneable 和 Serializable？

Collection表示一个集合，包含了一组对象。如何存储和维护这些对象是由具体实现来决定的。因为集合的具体形式多种多样，例如list允许重复，set则不允许。而克隆（clone）和序列化（serializable）只对于具体的实体，对象有意义，你不能说去把一个接口，抽象类克隆，序列化甚至反序列化。所以具体的collection实现类是否可以克隆，是否可以序列化应该由其自身决定，而不能由其超类强行赋予。
如果collection继承了clone和serializable，那么所有的集合实现都会实现这两个接口，而如果某个实现它不需要被克隆，甚至不允许它序列化（序列化有风险），那么就与collection矛盾了。