Java集合经典26问！

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今天给大家分享Java集合常考的面试题，准备找工作的小伙伴赶紧收藏起来~

常见的集合有哪些？

Java集合类主要由两个接口Collection和Map派生出来的，Collection有三个子接口：List、Set、Queue。

Java集合框架图如下：

List代表了有序可重复集合，可直接根据元素的索引来访问；Set代表无序不可重复集合，只能根据元素本身来访问；Queue是队列集合。Map代表的是存储key-value对的集合，可根据元素的key来访问value。

集合体系中常用的实现类有ArrayList、LinkedList、HashSet、TreeSet、HashMap、TreeMap等实现类。

List 、Set和Map 的区别

ArrayList 了解吗？

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。

ArrayList 的扩容机制？

ArrayList扩容的本质就是计算出新的扩容数组的size后实例化，并将原有数组内容复制到新数组中去。默认情况下，新的容量会是原容量的1.5倍。以JDK1.8为例说明:

public boolean add(E e) {
    //判断是否可以容纳e，若能，则直接添加在末尾；若不能，则进行扩容，然后再把e添加在末尾
    ensureCapacityInternal(size + 1);
    //将e添加到数组末尾
    elementData[size++] = e;
    return true;
    }

// 每次在新增一个元素时，需要判断这个list的容量
private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
      ensureExplicitCapacity(calculateCapacity(elementData, minCapacity));
}

private static int calculateCapacity(Object[] elementData, int minCapacity) {
        if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
            return Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
        }
        return minCapacity;
    }

  private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
        modCount++;
        // 容量不足则扩容
        if (minCapacity - elementData.length > 0)
            grow(minCapacity);
    }


private void grow(int minCapacity) {
        int oldCapacity = elementData.length;
        // 扩容至原来的1.5倍
        int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
        //检查容量是否充足
        if (newCapacity - minCapacity < 0)
            newCapacity = minCapacity;

        if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
            newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);

        elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
    }

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();
      }
}

Arraylist 和 Vector 的区别

  1. ArrayList在内存不够时默认是扩展50% + 1个，Vector是默认扩展1倍。
  2. Vector属于线程安全级别的，但是大多数情况下不使用Vector，因为操作Vector效率比较低。

Arraylist 与 LinkedList 区别

  1. ArrayList基于动态数组实现；LinkedList基于链表实现。
  2. 对于随机index访问的get和set方法，ArrayList的速度要优于LinkedList。因为ArrayList直接通过数组下标直接找到元素；LinkedList要移动指针遍历每个元素直到找到为止。
  3. 新增和删除元素，LinkedList的速度要优于ArrayList。因为ArrayList在新增和删除元素时，可能扩容和复制数组；LinkedList实例化对象需要时间外，只需要修改指针即可。

HashMap

HashMap 使用数组+链表+红黑树（JDK1.8增加了红黑树部分）实现的， 链表长度大于8（TREEIFY_THRESHOLD）时，会把链表转换为红黑树，红黑树节点个数小于6（UNTREEIFY_THRESHOLD）时才转化为链表，防止频繁的转化。

扩容过程？

1.8扩容机制：当元素个数大于threshold时，会进行扩容，使用2倍容量的数组代替原有数组。采用尾插入的方式将原数组元素拷贝到新数组。1.8扩容之后链表元素相对位置没有变化，而1.7扩容之后链表元素会倒置。

原数组的元素在重新计算hash之后，因为数组容量n变为2倍，那么n-1的mask范围在高位多1bit。在元素拷贝过程不需要重新计算元素在数组中的位置，只需要看看原来的hash值新增的那个bit是1还是0，是0的话索引没变，是1的话索引变成“原索引+oldCap”（根据e.hash & (oldCap - 1) == 0判断） 。这样可以省去重新计算hash值的时间，而且由于新增的1bit是0还是1可以认为是随机的，因此resize的过程会均匀的把之前的冲突的节点分散到新的bucket。

红黑树的特点？

为什么使用红黑树而不使用AVL树？

ConcurrentHashMap 在put的时候会加锁，使用红黑树插入速度更快，可以减少等待锁释放的时间。红黑树是对AVL树的优化，只要求部分平衡，用非严格的平衡来换取增删节点时候旋转次数的降低，提高了插入和删除的性能。

在解决 hash 冲突的时候，为什么选择先用链表，再转红黑树?

因为红黑树需要进行左旋，右旋，变色这些操作来保持平衡，而单链表不需要。当元素小于 8 个的时候，链表结构可以保证查询性能。当元素大于 8 个的时候， 红黑树搜索时间复杂度是 O(logn)，而链表是 O(n)，此时需要红黑树来加快查询速度，但是插入和删除节点的效率变慢了。如果一开始就用红黑树结构，元素太少，插入和删除节点的效率又比较慢，浪费性能。

HashMap 的长度为什么是 2 的幂次方？

Hash 值的范围值比较大，使用之前需要先对数组的长度取模运算，得到的余数才是元素存放的位置也就是对应的数组下标。这个数组下标的计算方法是(n - 1) & hash。将HashMap的长度定为2 的幂次方，这样就可以使用(n - 1)&hash位运算代替%取余的操作，提高性能。

HashMap为什么线程不安全？

HashMap和HashTable的区别？

HashMap和Hashtable都实现了Map接口。

  1. HashMap可以接受为null的key和value，key为null的键值对放在下标为0的头结点的链表中，而Hashtable则不行。
  2. HashMap是非线程安全的，HashTable是线程安全的。Jdk1.5提供了ConcurrentHashMap，它是HashTable的替代。
  3. Hashtable很多方法是同步方法，在单线程环境下它比HashMap要慢。
  4. 哈希值的使用不同，HashTable直接使用对象的hashCode。而HashMap重新计算hash值。

讲一下TreeMap？

TreeMap是一个能比较元素大小的Map集合，会对传入的key进行了大小排序。可以使用元素的自然顺序，也可以使用集合中自定义的比较器来进行排序。

public class TreeMap<K,V>
    extends AbstractMap<K,V>
    implements NavigableMap<K,V>, Cloneable, java.io.Serializable {
}

TreeMap 的继承结构：

TreeMap的特点：

  1. TreeMap是有序的key-value集合，通过红黑树实现。根据键的自然顺序进行排序或根据提供的Comparator进行排序。
  2. TreeMap继承了AbstractMap，实现了NavigableMap接口，支持一系列的导航方法，给定具体搜索目标，可以返回最接近的匹配项。

HashSet底层原理？

HashSet 基于 HashMap 实现。放入HashSet中的元素实际上由HashMap的key来保存，而HashMap的value则存储了一个静态的Object对象。

public class HashSet<E>
    extends AbstractSet<E>
    implements Set<E>, Cloneable, java.io.Serializable {
    static final long serialVersionUID = -5024744406713321676L;

    private transient HashMap<E,Object> map; //基于HashMap实现
    //...
}

HashSet、LinkedHashSet 和 TreeSet 的区别？

HashSet 是 Set 接口的主要实现类 ，HashSet 的底层是 HashMap，线程不安全的，可以存储 null 值；

LinkedHashSet 是 HashSet 的子类，能够按照添加的顺序遍历；

TreeSet 底层使用红黑树，能够按照添加元素的顺序进行遍历，排序的方式可以自定义。

什么是fail fast？

fast-fail是Java集合的一种错误机制。当多个线程对同一个集合进行操作时，就有可能会产生fast-fail事件。例如：当线程a正通过iterator遍历集合时，另一个线程b修改了集合的内容，此时modCount（记录集合操作过程的修改次数）会加1，不等于expectedModCount，那么线程a访问集合的时候，就会抛出ConcurrentModificationException，产生fast-fail事件。边遍历边修改集合也会产生fast-fail事件。

解决方法：

什么是fail safe？

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。

讲一下ArrayDeque？

ArrayDeque实现了双端队列，内部使用循环数组实现，默认大小为16。它的特点有：

  1. 在两端添加、删除元素的效率较高
  2. 根据元素内容查找和删除的效率比较低。
  3. 没有索引位置的概念，不能根据索引位置进行操作。

ArrayDeque和LinkedList都实现了Deque接口，如果只需要从两端进行操作，ArrayDeque效率更高一些。如果同时需要根据索引位置进行操作，或者经常需要在中间进行插入和删除（LinkedList有相应的 api，如add(int index, E e)），则应该选LinkedList。

ArrayDeque和LinkedList都是线程不安全的，可以使用Collections工具类中synchronizedXxx()转换成线程同步。

哪些集合类是线程安全的？哪些不安全？

线性安全的集合类：

线性不安全的集合类：

迭代器 Iterator 是什么？

Iterator 模式使用同样的逻辑来遍历集合。它可以把访问逻辑从不同类型的集合类中抽象出来，不需要了解集合内部实现便可以遍历集合元素，统一使用 Iterator 提供的接口去遍历。它的特点是更加安全，因为它可以保证，在当前遍历的集合元素被更改的时候，就会抛出 ConcurrentModificationException 异常。

public interface Collection<E> extends Iterable<E> {
 Iterator<E> iterator();
}

主要有三个方法：hasNext()、next()和remove()。

Iterator 和 ListIterator 有什么区别？

ListIterator 是 Iterator的增强版。

ConcurrentHashMap

多线程环境下，使用Hashmap进行put操作会引起死循环，应该使用支持多线程的 ConcurrentHashMap。

JDK1.8 ConcurrentHashMap取消了segment分段锁，而采用CAS和synchronized来保证并发安全。数据结构采用数组+链表/红黑二叉树。synchronized只锁定当前链表或红黑二叉树的首节点，相比1.7锁定HashEntry数组，锁粒度更小，支持更高的并发量。当链表长度过长时，Node会转换成TreeNode，提高查找速度。

ConcurrentHashMap 和 Hashtable 的区别？

  1. Hashtable通过使用synchronized修饰方法的方式来实现多线程同步，因此Hashtable的同步会锁住整个数组。在高并发的情况下，性能会非常差。ConcurrentHashMap采用了更细粒度的锁来提高在并发情况下的效率。
  2. Hashtable默认的大小为11，当达到阈值后，对容量进行扩充，扩容后容量为原来的2倍加1（oldCapacity * 2 + 1）。ConcurrentHashMap默认大小是16，扩容时容量扩大为原来的2倍。

CopyOnWrite

写时复制。当我们往容器添加元素时，不直接往容器添加，而是先将当前容器进行复制，复制出一个新的容器，然后往新的容器添加元素，添加完元素之后，再将原容器的引用指向新容器。这样做的好处就是可以对CopyOnWrite容器进行并发的读而不需要加锁，因为当前容器不会被修改。

    public boolean add(E e) {
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        //需要加锁
        lock.lock();
        try {
            Object[] elements = getArray();
            int len = elements.length;
            Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
            newElements[len] = e;
            setArray(newElements);
            return true;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

从JDK1.5开始Java并发包里提供了两个使用CopyOnWrite机制实现的并发容器，它们是CopyOnWriteArrayList和CopyOnWriteArraySet。

CopyOnWriteArrayList中add方法添加的时候是需要加锁的，保证同步，避免了多线程写的时候复制出多个副本。读的时候不需要加锁，如果读的时候有其他线程正在向CopyOnWriteArrayList添加数据，还是可以读到旧的数据。

缺点：

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