07-13 08:49 中南大学 Java 发布于湖北

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集合基础知识

1.集合基础知识

1.Java集合有哪几种？

Java集合类主要由两个接口Collection和Map派生出来的，

一个是 Collection接口，主要用于存放单一元素；另一个是 Map 接口，主要用于存放键值对。对于Collection 接口，下面又有三个主要的子接口：List、Set 和 Queue(念q)。

java.util包下的集合类大部分都是线程不安全的，例如我们常用的HashSet、TreeSet、ArrayList、LinkedList、ArrayDeque、HashMap、TreeMap，这些都是线程不安全的集合类，但是它们的优点是**性能好。**如果需要使用线程安全的集合类，则可以使用Collections工具类提供的synchronizedXxx()方法，将这些集合类包装成线程安全的集合类。java.util包下也有线程安全的集合类，例如Vector、Hashtable。这些集合类都是比较古老的API，虽然**实现了线程安全，但是性能很差。**所以即便是需要使用线程安全的集合类，也建议将线程不安全的集合类包装成线程安全集合类的方式，而不是直接使用这些古老的API。从Java5开始，Java在java.util.concurrent包下提供了大量支持高效并发访问的集合类，它们既能包装良好的访问性能，有能包装线程安全。这些集合类可以分为两部分，它们的特征如下：

以Concurrent开头的集合类：以Concurrent开头的集合类代表了支持并发访问的集合，它们可以支持多个线程并发写入访问，这些写入线程的所有操作都是线程安全的，但读取操作不必锁定。以Concurrent开头的集合类采用了更复杂的算法来保证永远不会锁住整个集合，因此在并发写入时有较好的性能。
以CopyOnWrite开头的集合类：以CopyOnWrite开头的集合类采用复制底层数组的方式来实现写操作。当线程对此类集合执行读取操作时，线程将会直接读取集合本身，无须加锁与阻塞。当线程对此类集合执行写入操作时，集合会在底层复制一份新的数组，接下来对新的数组执行写入操作。由于对集合的写入操作都是对数组的副本执行操作，因此它是线程安全的。

2.集合的具体实现类

List

ArrayList：Object[] 数组。
Vector：Object[] 数组。
LinkedList：双向链表(JDK1.6 之前为循环链表，JDK1.7 取消了循环)。

Map

HashMap：JDK1.8 之前 HashMap 由数组+链表组成的，数组是 HashMap 的主体，链表则是主要为了解决哈希冲突而存在的（“拉链法”解决冲突）。JDK1.8 以后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）（将链表转换成红黑树前会判断，如果当前数组的长度小于 64，那么会选择先进行数组扩容，而不是转换为红黑树）时，将链表转化为红黑树，以减少搜索时间。
LinkedHashMap：LinkedHashMap 继承自 HashMap，所以它的底层仍然是基于拉链式散列结构即由数组和链表或红黑树组成。另外，LinkedHashMap 在上面结构的基础上，增加了一条双向链表，使得上面的结构可以保持键值对的插入顺序。同时通过对链表进行相应的操作，实现了访问顺序相关逻辑。
Hashtable：数组+链表组成的，数组是 Hashtable 的主体，链表则是主要为了解决哈希冲突而存在的。
TreeMap：红黑树（自平衡的排序二叉树）。

Set

HashSet(无序，唯一): 基于 HashMap 实现的，底层采用 HashMap 来保存元素。
LinkedHashSet: LinkedHashSet 是 HashSet 的子类，并且其内部是通过 LinkedHashMap 来实现的。
TreeSet(有序，唯一): 红黑树(自平衡的排序二叉树)。

Queue

PriorityQueue: Object[] 数组来实现小顶堆。
DelayQueue:PriorityQueue。
ArrayDeque: 可扩容动态双向数组。

3.说说 List, Set, Queue, Map 四者的区别？

List(对付顺序的好帮手): 存储的元素是有序的、可重复的。
Set(注重独一无二的性质): 存储的元素不可重复的。
Queue(实现排队功能的叫号机): 按特定的排队规则来确定先后顺序，存储的元素是有序的、可重复的。
Map(用 key 来搜索的专家): 使用键值对（key-value）存储，类似于数学上的函数 y=f(x)，"x" 代表 key，"y" 代表 value，key 是无序的、不可重复的，value 是无序的、可重复的，每个键最多映射到一个值。

4.为什么要使用集合？

因为在实际开发中，存储的数据类型多种多样且数量不确定。这时，Java 集合就派上用场了。与数组相比，Java 集合提供了更灵活、更有效的方法来存储多个数据对象。Java 集合框架中的各种集合类和接口可以存储不同类型和数量的对象，同时还具有多样化的操作方式。相较于数组，Java 集合的优势在于它们的大小可变、支持泛型、具有内建算法等。总的来说，Java 集合提高了数据的存储和处理灵活性，可以更好地适应现代软件开发中多样化的数据需求，并支持高质量的代码编写。

5.什么是fail fast快速失败机制？

快速失败（fail-fast）是Java集合框架中的一种错误检测机制。

当多个线程对同一个ArrayList进行操作时，如果一个线程在遍历该集合的过程中，另一个线程同时尝试修改它（例如添加、删除元素），那么遍历线程会抛出ConcurrentModificationException异常。这种机制旨在防止并发修改导致的数据不一致问题。

6.什么是fail safe安全失败机制？

采用安全失败机制的集合容器，在遍历时不是直接在集合内容上访问的，而是先复制原有集合内容，在拷贝的集合上进行遍历。java.util.concurrent包下的容器都是安全失败，可以在多线程下并发使用，并发修改。

原理：由于迭代时是对原集合的拷贝进行遍历，所以在遍历过程中对原集合所作的修改并不能被迭代器检测到，所以不会触发Concurrent Modification Exception。

缺点：基于拷贝内容的优点是避免了Concurrent Modification Exception，但同样地，迭代器并不能访问到修改后的内容，即：迭代器遍历的是开始遍历那一刻拿到的集合拷贝，在遍历期间原集合发生的修改迭代器是不知道的。

7.如何让一个集合不能被修改？

可以采用Collections包下的unmodifiableMap/unmodifiableList/unmodifiableSet方法，通过这个方法返回的集合，是不可以修改的。如果修改的话，会抛出 java.lang.UnsupportedOperationException异常。

List<String> list = new ArrayList<>();
list.add("x");
Collection<String> clist = Collections.unmodifiableCollection(list);
clist.add("y"); // 运行时此行报错
System.out.println(list. size());

对于List/Set/Map集合，Collections包都有相应的支持。

那使用final关键字进行修饰可以实现吗？

答案是不可以。

final关键字修饰的成员变量如果是是引用类型的话，则表示这个引用的地址值是不能改变的，但是这个引用所指向的对象里面的内容还是可以改变的。

而集合类都是引用类型，用final修饰的话，集合里面的内容还是可以修改的。

引用类型有哪些？

在Java中，引用类型主要包括类（Class）、接口（Interface）、数组（Array）以及基于这些结构的其他数据类型如字符串（String）和枚举类型（Enum）。

Java将数据类型主要分为两大类：基本数据类型和引用数据类型。基本数据类型包括byte、short、int、long、float、double、char和boolean，它们直接存储值而非对象的引用。引用类型的变量则存储的是对象在内存中的地址，即引用了对象的位置。

2.List

-1.List有哪些类？

0.什么是ArrayList?

ArrayList 的底层是动态数组，它的容量能动态增长。在添加大量元素前，应用可以使用ensureCapacity操作增加 ArrayList 实例的容量。ArrayList 继承了 AbstractList ，并实现了 List 接口

1.ArrayList 和 Array（数组）的区别？

ArrayList 内部基于动态数组实现，比 Array（静态数组）使用起来更加灵活：

ArrayList会根据实际存储的元素动态地扩容或缩容，而 Array 被创建之后就不能改变它的长度了。
ArrayList 允许你使用泛型来确保类型安全，Array 则不可以。
ArrayList 中只能存储对象。对于基本类型数据，需要使用其对应的包装类（如 Integer、Double 等）。Array 可以直接存储基本类型数据，也可以存储对象。
ArrayList 支持插入、删除、遍历等常见操作，并且提供了丰富的 API 操作方法，比如 add()、remove()等。Array 只是一个固定长度的数组，只能按照下标访问其中的元素，不具备动态添加、删除元素的能力。
ArrayList创建时不需要指定大小，而Array创建时必须指定大小

2.ArrayList 和 Vector 的区别?

ArrayList 是 List 的主要实现类，底层使用 Object[]存储，适用于频繁的查找工作，线程不安全。
Vector 是 List 的古老实现类，底层使用Object[] 存储，线程安全。
ArrayList在内存不够时扩容为原来的1.5倍，Vector是扩容为原来的2倍。

3.ArrayList 可以添加 null 值吗？

ArrayList 中可以存储任何类型的对象，包括 null 值。

4.Arraylist 与 LinkedList的区别

1，从操作数据效率来说

ArrayList按照下标查询的时间复杂度O(1)【内存是连续的，根据寻址公式】， LinkedList不支持下标查询

查找（未知索引）： ArrayList需要遍历，链表也需要链表，时间复杂度都是O(n)

新增和删除

ArrayList尾部插入和删除，时间复杂度是O(1)；其他部分增删需要挪动数组，时间复杂度是O(n)
LinkedList头尾节点增删时间复杂度是O(1)，其他都需要遍历链表，时间复杂度是O(n)

2，从内存空间占用来说

ArrayList底层是数组，内存连续，节省内存

LinkedList 是双向链表需要存储数据，和两个指针，更占用内存

3，从线程安全来说，ArrayList和LinkedList都不是线程安全的

5.ArrayList扩容原理

当调用add方法添加一个元素时，首先会确保当前ArrayList维护的数组具有存储新元素的能力。如果数组的容量不足以存储新元素，那么就会通过grow方法进行扩容。扩容的方式是将数组的容量扩大到原来的1.5倍，然后将原数组的数据复制到新的数组中。最后，将新元素添加到数组的末尾

6. 面试题-ArrayList list=new ArrayList(10)中的list扩容几次

在ArrayList的源码中提供了一个带参数的构造方法，这个参数就是指定的集合初始长度，所以给了一个10的参数，就是指定了集合的初始长度是10，这里面并没有扩容。

7.LinkedList 为什么不能实现 RandomAccess 接口？

RandomAccess 是一个标记接口，用来表明实现该接口的类支持随机访问（即可以通过索引快速访问元素）。由于 LinkedList 底层数据结构是链表，内存地址不连续，只能通过指针来定位，不支持随机快速访问，所以不能实现 RandomAccess 接口

8.怎么在遍历 ArrayList 时移除一个元素？

foreach删除会导致快速失败问题，可以使用迭代器的 remove() 方法。

Iterator itr = list.iterator();
while(itr.hasNext()) {
      if(itr.next().equals("jay") {
        itr.remove();
      }
}

9.什么是ArrayList的快速失败fail fast机制

ArrayList的快速失败（fail-fast）是Java集合框架中的一种错误检测机制。

10.如何实现数组和List之间的转换

数组转list，可以使用jdk自动的一个工具类Arrars，里面有一个asList方法可以转换为数组

List 转数组，可以直接调用list中的toArray方法、，需要给一个参数，指定数组的类型，需要指定数组的长度。

11.用Arrays.asList转List后，如果修改了数组内容，list受影响吗？List用toArray转数组后，如果修改了List内容，数组受影响吗

Arrays.asList转换list之后，如果修改了数组的内容，list会受影响，因为它的底层使用的Arrays类中的一个内部类ArrayList来构造的集合，在这个集合的构造器中，把我们传入的这个集合进行了包装而已，最终指向的都是同一个内存地址

list用了toArray转数组后，如果修改了list内容，数组不会影响，当调用了toArray以后，在底层是它是进行了数组的拷贝，跟原来的元素就没啥关系了，所以即使list修改了以后，数组也不受影响。

12.ArrayList 和 LinkedList 不是线程安全的，你们在项目中是如何解决这个的线程安全问题的？

嗯，是这样的，主要有两种解决方案：

第一：我们使用这个集合，优先在方法内使用，定义为局部变量，这样的话，就不会出现线程安全问题。

第二：如果非要在成员变量中使用的话，可以使用线程安全的集合来替代

ArrayList可以通过Collections 的 synchronizedList 方法将 ArrayList 转换成线程安全的容器后再使用。

LinkedList 换成ConcurrentLinkedQueue来使用

3.Map相关面试题

0.Map有哪些类？

Map接口有很多实现类，其中比较常用的有HashMap、LinkedHashMap、TreeMap、ConcurrentHashMap。

对于不需要排序的场景，优先考虑使用HashMap，因为它是性能最好的Map实现。如果需要保证线程安全，则可以使用ConcurrentHashMap。它的性能好于Hashtable，因为它在put时采用分段锁/CAS的加锁机制，而不是像Hashtable那样，无论是put还是get都做同步处理。对于需要排序的场景，如果需要按插入顺序排序则可以使用LinkedHashMap，如果需要将key按自然顺序排列甚至是自定义顺序排列，则可以选择TreeMap。如果需要保证线程安全，则可以使用Collections工具类将上述实现类包装成线程安全的Map。

TreeMap 基于红黑树实现。

HashMap 1.7基于哈希表实现，1.8基于数组+链表+红黑树。

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(1.7 ConcurrentHashMap 引入了分段锁, 1.8 引入了红黑树)。

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。

1.HashMap 和 Hashtable 的区别

线程是否安全：HashMap 是非线程安全的，Hashtable 是线程安全的,因为 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！）；
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；
对 Null key 和 Null value 的支持：HashMap 可以存储 null 的 key 和 value，但 null 作为键只能有一个，null 作为值可以有多个；Hashtable 不允许有 null 键和 null 值，否则会抛出 NullPointerException。
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（HashMap 中的tableSizeFor()方法保证，下面给出了源代码）。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。
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（将链表转换成红黑树前会判断，如果当前数组的长度小于 64，那么会选择先进行数组扩容，而不是转换为红黑树），以减少搜索时间（后文中我会结合源码对这一过程进行分析）。Hashtable 没有这样的机制。

2.HashSet与HashMap的区别

(1)HashSet实现了Set接口, 仅存储对象; HashMap实现了 Map接口, 存储的是键值对.

(2)HashSet底层其实是用HashMap实现存储的, HashSet封装了一系列HashMap的方法. 依靠HashMap来存储元素值,(利用hashMap的key键进行存储), 而value值默认为Object对象. 所以HashSet也不允许出现重复值, 判断标准和HashMap判断标准相同, 两个元素的hashCode相等并且通过equals()方法返回true.