Java面试题-集合

Collection包含哪些类

Collection分为Set, List, Queue。

• Set包括SortedSet(TreeSet), HashSet, LinkedHashSet。
• List包括ArrayList, Vector, LinkedList。
• Queue包括LinkedList, PriorityQueue。

Set:

• TreeSet：基于红黑树实现，支持有序性操作，查找的时间复杂度是O(logn)。
• HashSet：基于Hash表实现，支持快速查找，但是不支持有序操作。
• 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ArraList相似，但它是线程安全的。
• LinkedList：基于双向链表实现，只能顺序访问，但是可以快速地插入和删除元素。还可以用作栈、队列、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包含哪些类

Map包括SortedMap(TreeMap), HashTable, HashMap, LinkedHashMap。

• TreeMap：基于红黑树实现。
• HashMap：基于哈希表实现。
• HashTable：和HashMap相似，但线程安全。
• 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（LRU)顺序。

ArrayList

1. 概览

ArrayList基于动态数组实现，支持快速随机访问。RandomAccess接口标识着该类支持快速随机访问。
数组默认大小为10。

2. 扩容

添加元素时使用ensureCapacity()方法来保证容量是否足够，如果不够时，需要使用grow()方法进行扩容，扩容大小为旧容量1.5倍。
扩容操作需要调用Arrays.copyOf()把原数组整个复制到新数组中，代价很高。

3. 删除元素

需要调用System.arraycopy()将index+1后面的元素都复制到index位置上，该操作时间复杂度为O(n)，删除代价很高。

4. Fail-Fast

modeCount用来记录ArrayList结构发生变化的次数。
在程序进行序列化或者迭代等操作时，需要比较操作前后modeCount是否改变，如果改变需要抛出ConcurrentModificationException。

序列化

保存元素的数组elementData使用transient修饰，该关键字声明数组默认不会被序列化。
ArrayList实现了writeObject()和readObject()来控制只序列化数组中有元素填充那部分内容。

5. Vector

与ArrayList类似，但是使用了synchronized进行同步。
每次扩容请求其大小的2倍空间，而ArrayList是1.5倍。
可以使用Collections.synchronizedList()得到一个线程安全的ArrayList。也可以使用concurrent并发包下的CopyOnWriteArrayList类。

CopyOnWriteArrayList

读写分离：写操作在一个复制的数组上进行，读操作还是在原数组中进行，读写分离，互不影响。
写操作需要加锁，防止并发写入时导致写入数据丢失。写操作结束之后需要把原数组指向新的复制数组。

适用场景：在写操作的同时允许读操作，大大提高了读操作的性能，因此很适合读多写少的应用场景。不适合内存敏感以及对实时性要求很高的场景。

缺陷：

• 内存占用：在写操作时需要复制一个新的数组，使得内存占用为原来的两倍左右；
• 数据不一致：读操作不能读取实时性的数据，因为部分写操作的数据还未同步到读数组中。

LinkedList

1. 概览

基于双向链表实现，只支持顺序查找。

2. 与ArrayList比较

• ArrayList基于动态数组实现，支持随机访问，但是增加和删除元素的效率低；
• LinkedList基于双向链表实现，不支持随机访问，增加和删除元素的效率高。

Set和List的区别

• List允许重复元素；Set不允许重复元素；
• List允许多个null元素；Set底层是Map，HashSet允许一个null元素，TreeSet不允许null元素；
• List是一个有序的容器，保持了每个元素的插入元素；Set是一个无序的容器，TreeSet通过Comparator或者Comparable维护了一个排序顺序，LinkedHashSet通过双向链表维护了插入顺序。

HashMap

1. 存储结构

数组+链表+红黑树
内部包含了一个Entry[]数组，数组的每一个位置被当成一个桶，一个桶中放一个链表，节点组成为int hashCode, K key, V value, Entry next。
HashMap一般用拉链法解决地址冲突，JDK7之前是头插法，容易导致链表环化，JDK8之后是尾插法。另一个改变是当一个链表长度超过8后，会转换为红黑树，提高查找效率。

2. HashMap中的put是如何实现的？

1. 计算关于key的hash值（与Key.hashCode的高16位做异或运算）；
2. 如果散列表为空时，调用resize()初始化散列表；
3. 如果没有发生碰撞，直接添加元素到散列表中去；
4. 如果发生了碰撞（hash值相同），进行三种判断：
   4.1 若key地址相同或者equals后内容相同，则替换旧值；
   4.2 如果是红黑树结构，就调用树的插入方法；
   4.3 链表结构，尾插法或者覆盖hash值相同的元素；
5. 如果桶满了，大于阈值，则resize()进行扩容。

3. HashMap什么时候需要进行扩容？扩容resize()又是如何实现的？

调用场景：

1. 初始化数组table；
2. 当数组table的size达到阈值时，即++size > loadfactor* capacity时，也是在put函数中。

实现过程：
通过判断旧数组的容量是否大于0，来判断数组是否初始化过
否：进行初始化
判断是否调用无参构造器
是：使用默认的大小和阈值；
否：使用构造函数中初始化的容量，这个容量是经过计算后的2的次幂数
是：进行扩容，扩容成两倍（小于最大值的情况下），之后再将元素重新进行运算复制到新的散列表中。

HashMap中的hash函数怎么实现的？还有那些hash函数的实现方式？

对key的hashCode做hash操作，与高16位做异或运算。

还有平方取中法，除留余数法，伪随机法。

为什么不直接将key作为哈希值，而是与高16位做异或运算？

因为数组位置的确定用的是与运算，仅仅最后四位有效，设计者将key的哈希值与高16位做异或运算，使得在做与运算确定数组的插入位置时，此时的低位实际是高位与低位的结合，增加了随机性，减少了哈希碰撞的次数。

为什么HashMap的默认初始化长度为16？为什么必须是2的幂？

1. 为了数据的均匀分布，减少哈希碰撞。因为数组位置使用的位运算，若数据不是2的幂则会增加哈希碰撞的次数和浪费数组空间。
2. 输入数据若不是2的幂，HashMap通过唯一晕眩和或运算扽道德肯定是2的幂，并且时最接近的。

HashMap和HashTable的区别

• HashTable使用synchronized来进行同步；
• HashMap可以插入key为null的Entry;
• HashMap的迭代器是fail-fast迭代器；
• HashMap不能保证随着时间的推移，Map中的元素次序是不变的；
• HashMap继承自AbstractMap类，HashTable继承自Dictionary。

HashMap一般采用什么类型的元素作为key？

选择Integer, String这种不可变的类型，已经规范覆写了hashCode()和equals()，天生线程安全。

ConcurrentHashMap

存储结构

ConcurrentHashMap 和 HashMap 实现上类似，主要的差别是 ConcurrentHashMap 采用了分段锁 （Segment），每个分段锁维护着几个桶（HashEntry），多个线程可以同时访问不同分段锁上的桶，从而使其并发度更高（并发度就是 Segment 的个数）。
Segment 继承自 ReentrantLock。

默认的并发级别为 16，也就是说默认创建 16 个 Segment。Segment的数量一旦初始化就无法更改.每个Segment上只有一个线程可以操作。

JDK8的改动

由于ConcurrentHashMap 本质上还是数组链表的结构，因此我们在链表上遍历数据整体的效率还是偏低。所以JDK8底层改用了数组+链表/红黑树的形式，且换成了Synchronized锁加 CAS 的机制。Synchronized只会锁住当前链表或者红黑树的首结点，只要hash不冲突就不会产生并发，可以大大提升效率。

get操作

ConcurrentHashMap的get操作并不直接加锁。使用了volatile关键字去修饰了其中的成员变量value，还有下一个节点next。正因为使用了该关键字保证了内存可见性，因此ConcurrentHashMap的get方法是不需要加锁的，这大大提升了效率。

put操作

根据key计算出哈希值，定位到插入位置如果为空，那么尝试CAS自旋插入。否则使用synchronized 锁写入数据。

size操作

每个 Segment 维护了一个 count 变量来统计该 Segment 中的键值对个数。

在执行 size 操作时，需要遍历所有 Segment 然后把 count 累计起来。

ConcurrentHashMap 在执行 size 操作时先尝试不加锁，如果连续两次不加锁操作得到的结果一致，那么可以认为这个结果是正确的。尝试次数使用 RETRIES_BEFORE_LOCK 定义，该值为 2，retries 初始值为 -1，因此尝试次数为 3。
如果尝试的次数超过 3 次，就需要对每个 Segment 加锁。

BlockingQueue是什么？

java.util.concurrent.BlockingQueue是一个队列，在进行检索或移除一个元素的时候，它会等待队列变为非空；当在添加一个元素时，它会等待队列中的可用空间。BlockingQueue接口是Java集合框架的一部分，主要用于实现生产者-消费者模式。我们不需要担心等待生产者有可用的空间，或消费者有可用的对象，因为它都在BlockingQueue的实现类中被处理了。Java提供了集中BlockingQueue的实现，比如ArrayBlockingQueue、LinkedBlockingQueue、PriorityBlockingQueue,、SynchronousQueue等。