数据结构与Java集合类

1. 二叉树、BST、AVL、B树、B+树、红黑树：节点存储方式、时间复杂度、特点

1. 二叉树：节点存值
   1. 遍历方式：前(根左右)、中(左根右)、后(左右根)
   2. 时间复杂度
      1. 查找、插入、删除都是On
   3. 容易形成单向链表
2. BST：节点存值，节点值按照左根右从小到大排序，中序遍历为递增
   1. 时间复杂度
      1. 查找、插入、删除都是On
3. AVL：节点存值，左右子树高度不超过1
   1. 时间复杂度
      1. 查找、插入、删除都是Ologn
4. B树：节点可以存m-1个值，叶子节点位于同一层
   1. 时间复杂度：O(logn)，二分查找比较节点的值
5. B+树：节点可以存m个值，叶子节点存数据且升序，非叶子节点存数据索引。
   1. 查找效率稳定，数据必定在叶子节点
   2. 叶子节点数据通过指针指向连接，形成升序链表。
   3. 时间复杂度：O(logn)
6. 红黑树：节点红黑相间，根节点为黑，从任一节点出发到叶子节点都有相同数量的黑节点
   1. 红黑树不是严格的AVL树，查询效率可能比AVL树低，但是插入操作进行的旋转次数比AVL树要少，至多3次。
   2. 适合频繁插入和删除且数据量大的情况
   3. 时间复杂度：同AVL

2. 数组和链表：内存存储、时间复杂度、优缺点、使用场景

1. 数组：在内存中连续存储，通过索引来随机获取元素，查询快增删慢。
   1. 时间复杂度：查询O1，删除On，头插On，尾插O1
   2. 大小固定，扩容要新建数组，类型单一
   3. 适用于数据量少且查询较多
2. 链表：在内存中非连续存储，只能顺序访问，查询慢增删快
   1. 时间复杂度：查询On，删除O1，头插On，尾插O1
   2. 无初始容量，无上限，但内存消耗大，因为存在大量的指针
   3. 适合数据量少增删多

3. 集合类：List接口、Set接口、Queue接口、Map。从数据结构以及特点来讲

1. List
   1. ArrayList：数组，查询快增删慢，线程不安全
   2. LinkedList：双向链表，查询慢增删快，线程不安全
   3. Vector：线程安全版的ArrayList
2. Set
   1. TreeSet：红黑树，有序且唯一，底层是treemap，compareTo实现唯一，比较器实现有序
   2. HashSet：哈希表，无序且唯一，底层是hashmap，compareTo实现唯一
   3. LinkedHashSet：双向链表维护HashSet集合
3. Queue
   1. LinkedList
   2. PriorityQueue：优先队列，大根堆小根堆
4. Map
   1. HashMap：数组+链表+红黑树，key无序且唯一，通过hashcode和equals实现唯一
   2. TreeMap：红黑树，key有序且唯一，compareTo实现唯一，比较器实现有序
   3. LinkedHashMap：双向链表+HashMap，有序的HashMap
   4. HashTable：数组+链表，线程安全
   5. concurrentHashMap：线程安全的HashMap。

4. HashMap概述：数据结构、初始容量、扩容、树化、时间复杂度、为什么线程不安全。好文：https://zhuanlan.zhihu.com/p/76735726

1. 1.8之前

1. 数据结构：数组+链表，数组存KV键值对，查询时间复杂度：On，最好O1。存储时间复杂度O1。
2. 初始容量：16，加载因子0.75。扩容2倍。当threshold == 加载因子 * 当前数组长度时，扩容
3. 节点存入方式：头插法，多线程先可能出现节点翻转时导致循环链表
4. 数组是用来确定桶的位置，利用key的hash值与数组长度-1取模得到. 链表是用来解决hash冲突问题，当出现hash值一样的情形，就在数组上的对应位置通过头插法形成一条链表。

2. 1.8之后

1. 数据结构：数组+链表+红黑树，当链表长度大于等于8时，树化。存储时间复杂度O1，查询时间复杂度降为Ologn
2. 初始容量不变，扩容也不变。但是扩容会重新计算长度和阈值。
3. 节点存入方式：尾插法，解决了环形链表问题，但是多线程下可能会发生数据覆盖，依旧是线程不安全
4. hashmap的rehash采用的是位运算函数

5. HashMap的put机制：1.8前后

1. 1.8之前：
   1. 先判断数组是否为空，如果为空，新建一个数组，长度为16
   2. 如果key为null，存入table[0]，遍历table[0]数组下的链表，通过hashcode和equals判断是否存在相同的key，如果是，替换，否则，存入链表头
   3. 如果key不为null，将key的hashcode传入indexFor，计算出index位置，遍历table[index]下的链表，通过hashcode和equals判断是否存在相同的key，如果是，替换value。
   4. 如果key不重复，addEntry添加节点到链表头，判断是否需要扩容
2. 1.8之后：调用putVal方法
   1. 先判断数组是否为空，如果为空，新建一个数组，长度为16
   2. 根据key的hashcode和数组长度-1进行与运算得到index位置，如果table[index]位置下没有Node节点，将key和value封装成Node节点存入。如果第一个节点的hash和key相同，替换value值
   3. 否则先提取节点，如果节点是树节点，调用树方法将key和value存入树中。如果是链表节点，如果遍历链表的过程中通过hashcode和equals没有发现相同的key，将key和value封装成Node节点，存入链表尾部。如果发现相同key，替换value。判断链表长度是否大于等于8，如果是，进行树化。
   4. 判断数组是否需要扩容

6. HashMap的get机制：1.8前后

1. 1.8之前
   1. 先判断数组是否为空，如果为空，直接返回null
   2. 判断key是否为null，如果为null，调用getForNullKey查找table[0]数组，遍历链表，通过hashcode和equals查找key，找到，返回value，否则返回null
   3. 如果key不为null，调用getForEntry，将key的hashcode传入indexfor计算得到index，遍历table[index]下的链表，通过hashcode和equals查找key，找到返回value，否则返回null
2. 1.8之后
   1. 调用getNode
      1. 如果数组为空，返回null
      2. 如果数组不为空，查找第一个Node节点是否与key相同，如果相同，直接返回
      3. 如果节点是树节点，调用getTreeNode查找
      4. 如果节点是链表节点，遍历链表，通过hashcode和equals查找key，找到返回value，否则返回null

7. HashMap的resize机制：1.8

1. 1.8之前的resize
   1. 在put的addEntry中判断是否需要扩容，先判断数组长度是否大于threshold阈值，如果是，调用resize扩容
   2. resize先提取旧数组容量，判断旧容量是否已经到达MAXVALUE，如果是，将threshold设置为Integer.MAX_VALUE，不再扩容，直接返回。否则新建一个数组，长度为原来的两倍，调用transfer进行转移
   3. transfer遍历旧数组元素，调用rehash判断是否需要重新进行hash，调用indexFor计算index，头插法将节点转移到新数组中
2. 1.8之后要重新规划长度和阈值，会重新排序
   1. 重新规划长度和阈值
      1. 最大容量：先判断旧容量是否到达最大容量，如果是，将threshold设置为Integer.MAX_VALUE，不再扩容，返回
      2. 两倍扩容：如果当前容量的两倍小于最大容量并且当前容量大于16，当前容量扩大两倍
      3. threshold：如果都不满足且threshold大于0，将threshold设置为容量
      4. 初始16和12：否则将长度设置为16，threshold为12
   2. 重新排序节点
      1. 如果节点为null，不处理
      2. 如果是树节点，调用split方法处理。
      3. 如果是链表节点：将链表拆分为hash值超出旧容量和未超出旧容量的情况。如果hash计算结果为0，原位置，不处理。否则将节点存入到新下标，新下标 = 旧容量+旧下标

8. 线程安全问题:环形链表和数据覆盖

1. 1.8之前：
   1. 环形链表：transfer采用头插法，多线程下可能出现节点翻转指向同一个位置
2. 1.8之后
   1. 尾插法可能导致数据覆盖。

9. HashMap的初始容量为什么是2的n次方：防止数组越界、hash分别更均匀、转换为与运算

1. 防止数组越界，因为数组index位置是通过key的hash值跟数组的长度-1进行与运算得到的，如果数组长度为2的n次方，那么长度-1的二进制就是11111...的数，与运算，最大的结果也不会发生数组越界
2. 为了使hash分布更均匀，长度-1的二进制位1111....，这种二进制数进行与运算时，出现重复数的概率低，hash冲突发生概率低
3. 将取模运算转换为与运算，效率更高

10. hash冲突如何解决(hash碰撞是指两个不同的对象计算出同一个hashcode。hash冲突是指hashmap中桶位置重叠)，hash函数类型：开放定址法、rehash、拉链法

1. 开放定址法：线性探测，当发生hash冲突时，从该hash值的地址往下搜索，直到找到一个不冲突的hash值为止
2. rehash：定义多个hash函数，当发生hash冲突时，轮番调用函数重新进行计算，直到不发生冲突为止。常见的hash函数有：位运算(HashMap)、乘法(String)、加法
3. 拉链法：头插和尾插
4. 

   image

   。紫色的为数组，绿色的为链表

11. HashTable如何解决线程安全：put和get方法加synchronized、初始容量、扩容、key-value

1. hashtable的初始容量为11，扩容2倍+1。key和value都不能为null
2. 通过在put和get方法加synchronized实现线程安全

12. ConcurrentHashMap如何解决线程安全问题：1.8前后

1. hashtable主要的问题就是对整个put方法加锁，并发低。
2. concurrentHashMap在1.8之前通过Segment分段锁 + Entry节点实现，每个分段锁维护一段数组，多个线程可以同时访问不同的分段锁，并发提高
3. concurrentHashMap在1.8之后通过Cas + synchronized + Node节点实现，锁住Node节点，锁粒度小。当数组index位置下没有元素时，通过CAS方式存入节点

13. ConcurrentHashMap的put机制：1.8版本

1. 先判断key和value是否为null，concurrentHashMap的key和value不能为null，如果为null，break
2. 计算key的hash值，确定index位置。
3. while true循环，因为可能会发生扩容和初始化数组
   1. 提取节点
   2. 如果数组为空，创建一个数组
   3. 如果数组不为空，但是table[index]位置下没有元素，将key和value封装成Node节点，CAS方式存入
   4. 如果正在发生扩容，table数组提取扩容后返回的数组
   5. 对节点上锁
      1. 遍历链表，如果在链表中找到相同的key，替换value，如果没有找到，尾插法存入链表
      2. 如果节点是树节点，putTreeVal存入
      3. 判断链表长度是否大于等于8，如果是，进行树化
4. 容量+1，判断数组是否需要扩容

14. ConcurrentHashMap的get机制要加synchronized吗：Node节点加volatile，线程间可见

1. 因为Node节点的value和Node节点.next都是使用volatile修饰，多线程下修改value或者增删Node节点都是线程间可见的

15. ArrayList概述：数据结构、初始容量、扩容、时间复杂度、线程不安全

1. 数据结构：数组
2. 初始容量：10
3. 扩容：1.5倍，通过Arrays.copyOf()复制到新数组
4. 线程不安全
5. 时间复杂度：查询O1，删除On，头插On，尾插O1

16. ArrayList的grow：创建新数组，1.5倍，通过Arrays.copyOf()复制，底层调用了System.arraycopy()，扩容开销大

1. add时先判断容量，如果容量不够，调用grow进行扩容
2. grow会创建一个新数组，长度为1.5倍，使用Arrays.copyOf转移元素。底层调用System.arraycopy()，开销大

17. ArrayList的add：先判断是否越界，判断是否需要扩容，调用System.arraycopy()添加

1. 先判断index是否越界，如果是，抛出越界异常
2. 判断数组是否需要扩容
3. 调用System.arraycopy()添加

18. ArrayList的remove：先判断是否越界、提取数组、调用fastRemove()、调用System.arraycopy()删除

1. 先检查index是否越界，如果越界，抛出越界异常
2. 提取数组对象
3. 调用fastRemove，调用System.arraycopy()删除，返回删除后的数组对象

19. 如何解决ArrayList线程不安全问题：使用Vector、Collections.synchronizedList()、原子类CopyOnWriteArrayList

1. 使用Vector，效率低
2. 使用Collection接口的线程安全方法Collections.synchronizedList()
3. 使用原子类CopyOnWriteArrayList，使用synchronized实现

20. Vector和ArrayList有什么区别，Vector如何解决线程不安全：就是一个线程安全的ArrayList，通过在add和get方法加synchronized解决，锁粒度大，效率低

1. Vector就是一个线程安全的ArrayList，初始容量10，扩容2倍，也是通过Arrays.copyOf()
2. 通过对add和get方法加synchronized实现线程安全。

21. ArrayList和LinkedList比较：数据结构、初始容量扩容、时间复杂度、线程安全、100W数据插入(头擦和尾插)

1. 数据结构：
   1. ArrayList：数组，可以通过索引随机访问
   2. LinkedList：链表，只能顺序访问
2. 初始容量：
   1. ArrayList初始容量10，扩容1.5倍
   2. LinkedList无
3. 时间复杂度：
   1. ArrayList
      1. 查询O1
      2. 删除On
      3. 头插On
      4. 尾插O1
   2. LinkedList
      1. 查询On
      2. 删除O1
      3. 头插On
      4. 尾插O1
4. 都是线程不安全
5. 存100W数据
   1. 头插：LinkedList完胜，因为ArrayList的add和grow都要调用System.arraycopy()进行转移元素
   2. 尾插：ArrayList完胜，且效率越来越高。因为ArrayList需要扩容，前期扩容频繁，但是后期扩容越来越少。

22. ArrayList的删除方法：使用Iterator方式、倒序遍历、remove方法

1. 正序for循环：元素前移后忽略元素，不可取

    public static void remove(ArrayList list) {
        for (int i = 0; i < list.size(); i++) {
            String s = list.get(i);
            if (s.equals("b")) {
                list.remove(s);
            }
        }
    }

2. foreach循环：不能用
3. Iterator迭代器：正确方式

    public static void remove3(ArrayList list) {
        Iterator it = list.iterator();  
        while (it.hasNext()) {  
            String s = it.next();  
            if (s.equals("b")) {  
                it.remove();  
            }  
        }  
    }

4. 倒序for循环：解决了前移忽视元素的情况

public static void remove14(List list, String target){
        for(int i = list.size() - 1; i >= 0; i--){
            String item = list.get(i);
            if(target.equals(item)){
                // List 删除元素的逻辑是将目标元素之后的元素往前移一个索引位置，最后一个元素置为 null，同时 size - 1
                list.remove(item);
            }
        }
        print(list);
    }

5. 使用remove方法
   1. 按照索引删除：List.remove(index)
   2. 按照value值删除：List.remove(Integer.valueOf(value))