Java 集合基础高频面试题

大家好，很高兴我们可以继续学习交流Java高频面试题。本小节是Java基础篇章的第四小节，主要介绍Java中的常用集合知识点，涉及到的内容包括Java中的三大集合的引出，以及HashMap，Hashtable和ConcurrentHashMap。

本小节内容几乎是Java面试中必考的点，或者说是你必须要熟练掌握的知识点。在实际的开发的工作中，我们经常借助集合完成数据的排序，查找等操作。熟练掌握Java中的常用集合，对于实际开发工作效率的提升也很有帮助。

我们先来介绍下Java中集合知识的整体情况吧。
 

三大集合接口的引出：

Java中的集合，从上层接口上看分为了两类，Map和Collection。也就是说，我们平时接触到的常用的集合，包括HashMap，ArrayList和HashSet等都直接或者间接的实现了这两个接口之一。而Collection接口的子接口又包括了Set和List接口。这样我们常见的Map，Set和List三大集合接口就出来了。接口类图如下所示：

这个时候，比较“机灵”的面试官就会发问了。

面试官：Map，List和Set都是Collection的子接口吗？

答：Map是和Collection并列的集合上层接口，没有继承关系；List和Set是Collection的子接口。
 

在本小节的附图中，我们给出了本节所涉及到的集合的类图结构，列出来是为了大家学习的时候方便查阅，接下来我们结合面试题来进行各个知识点的解析吧。

 

（1）说说Java中常见的集合吧。

答：Java中的常见集合可以概括如下。

• Map接口和Collection接口是所有集合框架的父接口
• Collection接口的子接口包括：Set接口和List接口
• Map接口的实现类主要有：HashMap、TreeMap、Hashtable、LinkedHashMap、ConcurrentHashMap以及Properties等
• Set接口的实现类主要有：HashSet、TreeSet、LinkedHashSet等
• List接口的实现类主要有：ArrayList、LinkedList、Stack以及Vector等

 

（2）HashMap和Hashtable的区别有哪些？

答： HashMap和Hashtable之间的区别可以总结如下。

• HashMap没有考虑同步，是线程不安全的；Hashtable使用了synchronized关键字，是线程安全的；
• HashMap允许null作为Key；Hashtable不允许null作为Key，Hashtable的value也不可以为null

 

ashMap是线程不安全的是吧？你可以举一个例子吗？

答：（注意，以下是候选人常见的错误理解！！！，因为上边的答案是大家背出来的）
有一个快速失败fast-fail机制，当对HashMap遍历的时候，调用了remove方法使其迭代器发生改变的时候会抛出一个异常ConcurrentModificationException。Hashtable因为在方法上做了synchronized处理，所以不会抛出异常。（自信的语气^_^感觉面试官很low）。
 

我们这里先给出正确答案：

• HashMap线程不安全主要是考虑到了多线程环境下进行扩容可能会出现HashMap死循环
• Hashtable线程安全是由于其内部实现在put和remove等方法上使用synchronized进行了同步，所以对单个方法的使用是线程安全的。但是对多个方法进行复合操作时，线程安全性无法保证。 比如一个线程在进行get操作，一个线程在进行remove操作，往往会导致下标越界等异常。

 

既然说到了这里，那么我们来看看大家一直想说的Java集合快速失败（fast-fail）机制是怎么回事儿吧~

 

Java集合中的快速失败（fast-fail）机制：

答：快速失败是Java集合的一种错误检测机制，当多个线程对集合进行结构上的改变的操作时，有可能会产生fail-fast。

例如：

假设存在两个线程（线程1、线程2），线程1通过Iterator在遍历集合A中的元素，在某个时候线程2修改了集合A的结构（是结构上面的修改，而不是简单的修改集合元素的内容），那么这个时候程序就可能会抛出 ConcurrentModificationException异常，从而产生fast-fail快速失败。

 

 

那么快速失败机制底层是怎么实现的呢？

迭代器在遍历时直接访问集合中的内容，并且在遍历过程中使用一个 modCount 变量。集合在被遍历期间如果内容发生变化，就会改变modCount的值。当迭代器使用hashNext()/next()遍历下一个元素之前，都会检测modCount变量是否为expectedModCount值，是的话就返回遍历；否则抛出异常，终止遍历。JDK源码中的判断大概是这样的：

我们再来接着看异常ConcurrentModificationException，JDK中是这么介绍该异常的：

我来解释下JDK中的英文，大概意思就是说当检测到一个并发的修改，就可能会抛出该异常，一些迭代器的实现会抛出该异常，以便可以快速失败。但是你不可以为了便捷而依赖该异常，而应该仅仅作为一个程序的侦测。

前面常见的错误答案，错误的认为快速机制就是HashMap线程不安全的表现。并且坚定的认为Hashtable和Vector等线程安全的集合不会存在并发修改时候的快速失败，这是大错特错。概念和原理理解的不清晰导致掉入了面试官的陷阱里了，大家可以打开JDK源码，会发现Hashtable也会在迭代的时候抛出该异常，可能发生快速失败。

 

（3）HashMap底层实现结构有了解吗？

答：HashMap底层实现数据结构为数组+链表的形式，JDK8及其以后的版本中使用了数组+链表+红黑树实现，解决了链表太长导致的查询速度变慢的问题。大概结构如下图所示：

 

面试官追问：HashMap的初始容量，加载因子，扩容增量是多少？

答：HashMap的初始容量16，加载因子为0.75，扩容增量是原容量的1倍。如果HashMap的容量为16，一次扩容后容量为32。HashMap扩容是指元素个数（包括数组和链表+红黑树中）超过了16*0.75=12之后开始扩容。
 

解析：
这个题目，好多同学表现的不够出色，出现许多记忆不准确的情况。这说明，大家对为什么初始容量是16，扩容后为什么是32的原理不太清晰。那么我们接着看下一个知识点吧，也许会对你有启发（联想记忆）

 

HashMap的长度为什么是2的幂次方？

答：

• 我们将一个键值对插入HashMap中，通过将Key的hash值与length-1进行&运算，实现了当前Key的定位，2的幂次方可以减少冲突（碰撞）的次数，提高HashMap查询效率
• 如果length为2的幂次方，则length-1 转化为二进制必定是11111……的形式，在与h的二进制与操作效率会非常的快，而且空间不浪费
• 如果length不是2的幂次方，比如length为15，则length-1为14，对应的二进制为1110，在与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。

 

接下来，我们来做一个简单的总结：

总结：

也就是说2的N次幂有助于减少碰撞的几率，空间利用率比较大。这样你就明白为什么第一次扩容会从16 ->32了吧？总不会再说32+1=33或者其余答案了吧？至于加载因子，如果设置太小不利于空间利用，设置太大则会导致碰撞增多，降低了查询效率，所以设置了0.75。
 

上边介绍了HashMap在存储空间不足的时候会进行扩容操作。那么，我们接着来看HashMap中的存储和扩容等相关知识点吧。

 

HasMap的存储和获取原理：

当调用put()方法传递键和值来存储时，先对键调用hashCode()方法，返回的hashCode用于找到bucket位置来储存Entry对象，也就是找到了该元素应该被存储的桶中（数组）。当两个键的hashCode值相同时，bucket位置发生了冲突，也就是发生了Hash冲突，这个时候，会在每一个bucket后边接上一个链表（JDK8及以后的版本中还会加上红黑树）来解决，将新存储的键值对放在表头（也就是bucket中）。

当调用get方法获取存储的值时，首先根据键的hashCode找到对应的bucket，然后根据equals方法来在链表和红黑树中找到对应的值。
 

HasMap的扩容步骤：

HashMap里面默认的负载因子大小为0.75，也就是说，当Map中的元素个数（包括数组，链表和红黑树中）超过了16*0.75=12之后开始扩容。将会创建原来HashMap大小的两倍的bucket数组，来重新调整map的大小，并将原来的对象放入新的bucket数组中。这个过程叫作rehashing，因为它调用hash方法找到新的bucket位置。

但是，需要注意的是在多线程环境下，HashMap扩容可能会导致死循环。
 

前面我们介绍了在HashMap存储的时候，会发生Hash冲突，那么我们一起来看Hash冲突的解决办法吧。
 

解决Hash冲突的方法有哪些？

• 拉链法 （HashMap使用的方法）
• 线性探测再散列法
• 二次探测再散列法
• 伪随机探测再散列法

 

哪些类适合作为HashMap的键？

String和Interger这样的包装类很适合做为HashMap的键，因为他们是final类型的类，而且重写了equals和hashCode方法，避免了键值对改写，有效提高HashMap性能。
为了计算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。
 

扩展知识点：

在高级的算法中，还有一个一致性Hash算法，有能力和精力的同学可以去研究下“一致性Hash算法”，有所了解一致性Hash算法对于面试是一个很好的加分点。

 

（4）ConcurrentHashMap和Hashtable的区别？

答： ConcurrentHashMap结合了HashMap和Hashtable二者的优势。HashMap没有考虑同步，Hashtable考虑了同步的问题。但是Hashtable在每次同步执行时都要锁住整个结构。

ConcurrentHashMap锁的方式是稍微细粒度的，ConcurrentHashMap将hash表分为16个桶（默认值），诸如get，put，remove等常用操作只锁上当前需要用到的桶。
 

ConcurrentHashMap的具体实现方式(分段锁)：

• 该类包含两个静态内部类MapEntry和Segment，前者用来封装映射表的键值对，后者用来充当锁的角色。

• Segment是一种可重入的锁ReentrantLock，每个Segment守护一个HashEntry数组里得元素，当对HashEntry数组的数据进行修改时，必须首先获得对应的Segment锁。

 

解析：
ConcurrentHashMap与Hashtable以及HashMap的比较是一个绝对高频的考察点，我们必须熟练掌握ConcurrentHashMap分段锁的实现方式。在实际的开发中，我们在单线程环境下可以使用HashMap，多线程环境下可以使用ConcurrentHashMap，至于Hashtable已经不被推荐使用了（也就是说Hashtable只存在于面试题目中了）。

 

上节问题解析：

在上一节中，我们留下了一个题目，以下代码的输出结果是什么？

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public class Test {     public static void main(String[] args)  {         StringBuffer sb = new StringBuffer("Hello ");         System.out.println("Before change, sb = " + sb);         changeData(sb);         System.out.println("After change, sb = " + sb);     }     public static void changeData(StringBuffer strBuf) {         StringBuffer sb2 = new StringBuffer("Hi，I am ");         strBuf = sb2;         sb2.append("World!");     } }

 

Java只有传值

总结：

本小节中，我们交流学习了Java基础中的三大集合，重点阐述了HashMap相关的知识点。这里郑重提示，本小节所涉及到的内容几乎是面试中的必现考察点。有能力的同学，最好是打开JDK的源码，好好研究HashMap以及ConcurentHashMap的实现方式。当然如果你遇到问题，可以在评论区留言，我们可以一起探讨学习，一起进步。

 

大家好，很高兴我们可以继续学习交流Java高频面试题。本小节是Java基础篇章的第五小节，在上一小节中，我们将三大集合引出，并且重点介绍了HashMap，Hashtable和ConcurrentHashMap的相关知识点。本小节中，我们继续交流Java中其余的集合知识点，希望大家可以熟练掌握。
 

（1）TreeMap有哪些特性？

答：TreeMap底层使用红黑树实现，TreeMap中存储的键值对按照键来排序。

• 如果Key存入的是字符串等类型，那么会按照字典默认顺序排序
• 如果传入的是自定义引用类型，比如说User，那么该对象必须实现Comparable接口，并且覆盖其compareTo方法；或者在创建TreeMap的时候，我们必须指定使用的比较器。如下所示：

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// 方式一：定义该类的时候，就指定比较规则 class User implements Comparable{     @Override     public int compareTo(Object o) {         // 在这里边定义其比较规则         return 0;     } } public static void main(String[] args) {     // 方式二：创建TreeMap的时候，可以指定比较规则     new TreeMap(new Comparator() {         @Override         public int compare(User o1, User o2) {             // 在这里边定义其比较规则             return 0;         }     }); }

解析：
关于TreeMap的考察，会涉及到两个接口Comparable和Comparator的比较。Comparable接口的后缀是able大概表示可以的意思，也就是说一个类如果实现了这个接口，那么这个类就是可以比较的。类似的还有cloneable接口表示可以克隆的。而Comparator则是一个比较器，是创建TreeMap的时候传入，用来指定比较规则。
 

那么Comparable接口和Comparator接口有哪些区别呢？

• Comparable实现比较简单，但是当需要重新定义比较规则的时候，必须修改源代码，即修改User类里边的compareTo方法
• Comparator接口不需要修改源代码，只需要在创建TreeMap的时候重新传入一个具有指定规则的比较器即可。

 

（2）ArrayList和LinkedList有哪些区别？

答：常用的ArrayList和LinkedList的区别总结如下。

• ArrayList底层使用了动态数组实现，实质上是一个动态数组
• LinkedList底层使用了双向链表实现，可当作堆栈、队列、双端队列使用
• ArrayList在随机存取方面效率高于LinkedList
• LinkedList在节点的增删方面效率高于ArrayList
• ArrayList必须预留一定的空间，当空间不足的时候，会进行扩容操作
• LinkedList的开销是必须存储节点的信息以及节点的指针信息

 

解析：

该题是集合中最常见和最基础的题目之一，List集合也是我们平时使用很多的集合。List接口的常见实现就算ArrayList和LinkedList，我们必须熟练掌握其底层实现以及一些特性。其实还有一个集合Vector，它是线程安全的ArrayList，但是已经被废弃，不推荐使用了。多线程环境下，我们可以使用CopyOnWriteArrayList替代ArrayList来保证线程安全。
 

（3）HashSet和TreeSet有哪些区别？

答： HashSet和TreeSet的区别总结如下。

• HashSet底层使用了Hash表实现。保证元素唯一性的原理：判断元素的hashCode值是否相同。如果相同，还会继续判断元素的equals方法，是否为true
• TreeSet底层使用了红黑树来实现。保证元素唯一性是通过Comparable或者Comparator接口实现

 

解析：

其实，HashSet的底层实现还是HashMap，只不过其只使用了其中的Key，具体如下所示：

• HashSet的add方法底层使用HashMap的put方法将key = e，value=PRESENT构建成key-value键值对，当此e存在于HashMap的key中，则value将会覆盖原有value，但是key保持不变，所以如果将一个已经存在的e元素添加进HashSet中，新添加的元素是不会保存到HashMap中，所以这就满足了HashSet中元素不会重复的特性。
• HashSet的contains方法使用HashMap的containsKey方法实现

 

（4）LinkedHashMap和LinkedHashSet有了解吗？

答：LinkedHashMap在面试题中还是比较常见的。LinkedHashMap可以记录下元素的插入顺序和访问顺序，具体实现如下：

• LinkedHashMap内部的Entry继承于HashMap.Node，这两个类都实现了Map.Entry
• LinkedHashMap的Entry不光有value，next，还有before和after属性，这样通过一个双向链表，保证了各个元素的插入顺序
• 通过构造方法public LinkedHashMap(int initialCapacity,float loadFactor,boolean accessOrder)， accessOrder传入true可以实现LRU缓存算法（访问顺序）
• LinkedHashSet 底层使用LinkedHashMap实现，两者的关系类似与HashMap和HashSet的关系，大家可以自行类比。

 

扩展： 什么是LRU算法？LinkedHashMap如何实现LRU算法？

LRU（Least recently used，最近最少使用）算法根据数据的历史访问记录来进行淘汰数据，其核心思想是“如果数据最近被访问过，那么将来被访问的几率也更高”。

由于LinkedHashMap可以记录下Map中元素的访问顺序，所以可以轻易的实现LRU算法。But, talk is cheap，show me the Code，留给同学们自行实现。欢迎大家在评论区互动展示Code~
 

（5）List和Set的区别？

答： List和Set的区别可以简单总结如下。

• List是有序的并且元素是可以重复的
• Set是无序（LinkedHashSet除外）的，并且元素是不可以重复的
  （此处的有序和无序是指放入顺序和取出顺序是否保持一致）

 

（6）Iterator和ListIterator的区别是什么？

答： 常见的两种迭代器的区别如下。

• Iterator可以遍历list和set集合；ListIterator只能用来遍历list集合
• Iterator前者只能前向遍历集合；ListIterator可以前向和后向遍历集合
• ListIterator其实就是实现了前者，并且增加了一些新的功能。

 

解析：

Iterator其实就是一个迭代器，在遍历集合的时候需要使用。Demo实现如下：

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ArrayList list =  new ArrayList<>(); list.add("zhangsan"); list.add("lisi"); list.add("yangwenqiang"); // 创建迭代器实现遍历集合 Iterator iterator = list.iterator(); while(iterator.hasNext()){     System.out.println(iterator.next()); }

 

（7）数组和集合List之间的转换：

答：数组和集合Lis的转换在我们的日常开发中是很常见的一种操作，主要通过Arrays.asList以及List.toArray方法来搞定。这里给出Demo演示：

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package niuke;   import java.util.ArrayList; import java.util.Arrays; import java.util.List;   public class ConverTest {     public static void main(String[] args) {         // list集合转换成数组         ArrayList list =  new ArrayList<>();         list.add("zhangsan");         list.add("lisi");         list.add("yangwenqiang");         Object[] arr = list.toArray();         for (int i = 0; i < arr.length; i++) {             System.out.println(arr[i]);         }         System.out.println("---------------");         // 数组转换为list集合         String[] arr2 = {"niuke", "alibaba"};         List asList = Arrays.asList(arr2);         for (int i = 0; i < asList.size(); i++) {             System.out.println(asList.get(i));         }       } }

输出结果如下：

 

解析：

关于数组和集合之间的转换是一个常用操作，这里主要讲解几个需要注意的地方吧。
 

数组转为集合List：

通过Arrays.asList方法搞定，转换之后不可以使用add/remove等修改集合的相关方法，因为该方法返回的其实是一个Arrays的内部私有的一个类ArrayList，该类继承于Abstractlist，并没有实现这些方法，会直接抛出UnsupportOperationException异常。这种转换体现的是一种适配器模式，只是转换接口，本质上还是一个数组。
 

集合转换数组：

List.toArray方法搞定了集合转换成数组，这里最好传入一个类型一样的数组，大小就是list.size()。因为如果入参分配的数组空间不够大时，toArray方法内部将重新分配内存空间，并返回新数组地址；如果数组元素个数大于实际所需，下标为list.size()及其之后的数组元素将被置为null，其它数组元素保持原值。所以，建议该方法入参数组的大小与集合元素个数保持一致。

若是直接使用toArray无参方法，此方法返回值只能是Object[ ]类，若强转其它类型数组将出现ClassCastException错误。
 

（8）Collection和Collections有什么关系？

答：这是Java中的一类问题，类似的还有Array和Arrays，Executor和Executors有什么区别与联系？聪明的你可以总结一下吗？知道答案的同学可以在评论区留言，来帮助更多的同学吧。

 

总结：

本小节中，我们交流学习了Java基础中的三大集合，集合的重要性不言而喻，几乎是面试中的必考知识点。这里给出建议，有精力和能力的同学可以打开JDK的源码，好好熟悉下常见集合类的实现方式。当然如果你遇到问题，可以在评论区留言，我们可以一起探讨学习，一起进步。

限于作者水平，文章中难免会有不妥之处。大家在学习过程中遇到我没有表达清楚或者表述有误的地方，欢迎随时在文章下边指出，我会及时关注，随时改正。另外，大家有任何话题都可以在下边留言，我们一起交流探讨。