[Interview]Java 面试宝典系列之 Java 集合类

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了[Interview]Java 面试宝典系列之 Java 集合类相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

文章目录

1、Java中 有哪些容器（集合类）？

Java 中的集合类主要由 Collection 和 Map 这两个接口派生而出

  • Collection 接口继承体系图

  • Map 接口继承体系图

2、Java 中的容器，线程安全和线程不安全的分别有哪些？

  • 大部分集合类都是线程不安全的（Vector、Hashtable 除外，他俩属于历史悠久的 API 性能较差不建议使用），可以使用 Collections工具类提供的 synchronizedXxx() 方法，将线程不安全的集合类包装成线程安全的集合类

  • 从 Java5 开始，java.util.concurrent 包下提供了大量支持高效并发访问的集合类

    1. 以 Concurrent 开头的集合类支持多个线程并发写入并且保存数据线程安全，但读取数据时并不加锁。集合的实现采用了更复杂的算法来保证永远不会锁住整个集合，从而保证了在并发写入和读取时均有较好的性能
    2. 以 CopyOnWrite 开头的集合类：当线程对此类集合执行读取操作时会直接读取集合本身（未加锁不阻塞），而当线程对此类集合执行写操作时会复制一份新的数组，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，因此也保证了是线程安全的

  • java.util.concurrent 包下的 Collection

  • java.util.concurrent 包下的 Map

3、Map 接口有哪些常用实现类？

类适用场景说明
HashMap无序性能最好的 Map 实现
ConcurrentHashMap无序且线程安全性能优于 Hashtable，底层采用分段锁/CAS加锁机制，只锁写不锁读
LinkedHashMap插入顺序排序底层维护了双向链表使得读数据时看起来是有序的
TreeMap自定义排序底层实现了 SortedMap 接口，即插入的元素是有顺序的（可定制）

4、描述一下 Map 集合的 put 过程

  1. 首次扩容：先判断数组是否为空，若为空则进行第一次扩容，默认初始化大小为 16，加载因子 (loadFactor) 为 0.75

  2. 计算键的 hash 值：通过 HashMap 类的静态方法 hash(Object) 获得键的 hash 值

    static final int hash(Object key) 
   int h;
   // 【key 的 hashCode】 与 【key 的 hashCode 无符号右移 16 位的值】做 按位异或 运算得到元素的 hash 值
   return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);

  3. 计算元素 HashMap.Node<K, V>在散列表中的索引号：将键的 hash 值与本次哈希表大小 -1 的值进行 按位与 运算获得本次添加的元素在哈希表中的索引号

    // 用本次哈希表长度减 1 与本次元素键的 hash 值进行按位与运算获得元素在哈希表中的位置号
if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
 // 位置号上未存储元素则直接存放
 tab[i] = newNode(hash, key, value, null);

  4. 在哈希表的相应位置上存放元素：

    1. 如果当前位置元素为空，则直接插入数据
    2. 如果当前位置元素非空，且 key 已存在，则直接覆盖其 value
    3. 如果当前位置元素非空，且 key 不存在，则将数据链到链表末端
    4. 若链表长度达到 8 且哈希表的长度达到 64，则将此条链表转换成红黑树，并将数据插入树中
    final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,boolean evict) 
   Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
   // 第一次扩容：table 为 HashMap 的静态内部类 Node 类型的数组 transient Node<K,V>[] table;
   if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
       n = (tab = resize()).length; 

   // 用本次哈希表长度减 1 与本次元素键的 hash 值进行 按位与 运算获得元素在哈希表中的位置号
   if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
       // 位置号上未存储元素则直接存放
       tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
   // 位置号上已经存放元素，判断当前要添加的元素是否已存在相同元素
   else 
       Node<K,V> e; K k;
       // 如果当前元素键的 hash 值与哈希表位置号上元素键的 hash 值相同且引用相同或者要添加的元素键不为空且与当前位置上元素的键 equals 比较相同，则推出添加的元素与当前位置号上的元素相同
       if (p.hash == hash && ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
           e = p;
       // 判断当前位置号是否是红黑树数据结构，是则按照红黑树方式添加
       else if (p instanceof TreeNode)
           e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
       else 
           // 遍历此位置号上的链表元素，判断是否与当前需要加入的元素相同
           for (int binCount = 0; ; ++binCount) 
               // 不相同，添加到链表尾
               if ((e = p.next) == null) 
                   p.next = newNode(hash, key, value, null);
                   // 判断该条链表上的元素个数是否 >= 8个，是则进行树化条件判断
                   if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
                       treeifyBin(tab, hash);
                   break;
               
               // 如果存在相同的元素则不添加
               if (e.hash == hash &&((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                   break;
               p = e;
           
       
       // 当前要添加的元素已存在，则不添加，返回旧值 value（新旧交替）
       if (e != null)  // existing mapping for key
           V oldValue = e.value;
           if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
               e.value = value;
           afterNodeAccess(e);
           return oldValue;
       
   
   ++modCount;
   // size 为哈希表中的元素个数，判断加入的元素个数是否不小于临界值，是则对哈希表进行扩容
   if (++size > threshold)
       resize();
   // HashMap 的空方法，留给子类实现以扩展功能	
   afterNodeInsertion(evict);
   // 返回 null 代表元素添加成功
   return null;

  5. 再次扩容判断：如果数组中元素个数超过临界值 threshold = 当前散列表长度 * 加载因子（loadFactor），则进行扩容操作，按 2 倍方式进行扩容

  • 扩展：JDK7 HashMap 的 put 过程

    public V put(K key, V value) 
	// 校验 key 是否为空
	if (key == null)
		return putForNullKey(value);
    // 获取 key 对应的 hash 值
	int hash = hash(key);	
    // 计算元素在散列表中的索引号
	int i = indexFor(hash, table.length);	
	// 判断散列表该位置上新添加元素的键是否存在，存在则用新 value 替换旧 value 并返回旧 value
	for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) 
		Object k;
		if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) 
			V oldValue = e.value;
			e.value = value;
			e.recordAccess(this);
			return oldValue;
		
	

    // 修改次数+1
	modCount++;
    // 使用头插法插入当前元素
	addEntry(hash, key, value, i); 
	return null;


void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) 
	// 判断是否需要扩容
	if ((size >= threshold) && (null != table[bucketIndex])) 
		resize(2 * table.length);
        // 扩容后，对应的 hash 需要重新计算
		hash = (null != key) ? hash(key) : 0; 
        // 扩容后，对应的 bucketIndex 需要重新计算
		bucketIndex = indexFor(hash, table.length);
	
	// 插入元素数据
	createEntry(hash, key, value, bucketIndex);

5、如何得到一个线程安全的 Map？

  1. 使用 Collections 工具类将线程不安全的 Map 包装成线程安全的 Map
  2. 使用 java.util.concurrent 包下的 Map 如 ConcurrentHashMap
  3. 使用线程安全的 Hashtable（性能较差，不推荐使用）

6、HashMap 有什么特点？

  1. HashMap 是线程不安全的 Map

  2. HashMap 可以使用 null 作为 key 或 value

    map.put(null, null);
map.put("Spring-_-Bear", null);

  3. HashMap 默认初始化大小为 16，加载因子为 0.75，按 2 倍方式扩容

  4. 当哈希表的大小 >= 64 且某条链表的长度 >= 8 则将该条链表树化为红黑树

7、JDK7 和 JDK8 中的 HashMap 有什么区别？

  • JDK7 的 HashMap 底层实现基于数组 + 链表，数组类型是 HashMap.Entry<K, V>。使用头插法插入元素，链表过长时查询效率较低，时间复杂度为 O(n)
  • JDK8 的 HashMap 底层实现基于数组 + 链表 + 红黑树，数组类型是 HashMap.Node<K, V>。使用尾插法插入元素，当散列表长度不小于 64 且某条链表长度不小于 8 时就将该条链表转换为红黑树（条件不满足时又会剪枝为链表），红黑树的查询效率为 O(logN)

8、介绍一下 HashMap 底层的实现原理

以经典 JDK8 的实现为例：

  • 底层使用数组 + 链表 + 红黑树，数组类型是 HashMap.Node<K, V>

  • 基于 hash 算法和散列表长度计算当前键 K 在散列表中的位置

    // 1. 【key 的 hashCode】 与 【key 的 hashCode 无符号右移 16 位的值】做 按位异或 运算得到元素的 hash 值
return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
// 2. 用本次哈希表长度减 1 与本次元素键的 hash 值进行按位与运算获得元素在哈希表中的位置号
if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)

  • 散列表该位置不存在元素则直接存放，存在则判断是否存在相同键的元素，存在则用新值替换旧值并返回旧值

    // 如果当前元素键的 hash 值与哈希表位置号上元素键的 hash 值相同且引用相同或者要添加的元素键不为空且与当前位置上元素的键 equals 比较相同，则推出添加的元素与当前位置号上的元素相同
       if (p.hash == hash && ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))

  • 元素键不重复则判断是树结构还是链表结构，分别添加元素到链表尾或树中（树化判断：散列表长度不小于 64 且链表长度不小于 8）

  • 扩容判断，当散列表数组已使用元素个数大于临界值 = 散列表长度 * 0.75 时按 2 倍方式扩容

9、介绍一下 HashMap 的扩容机制

  • 初始化容量大小为 16，当数组已使用元素个数大于临界值 = 散列表长度 * 加载因子（0.75）时按 2 倍方式进行扩容（使用 2 倍扩容机制的原因是为了方便进行位运算，提高效率）

  • 初始化大小和加载因子均可由构造器指定，当红黑树节点个数小于 6 时将剪枝为链表

    static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; // aka 16
static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;
static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;
static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8;
static final int UNTREEIFY_THRESHOLD = 6;
static final int MIN_TREEIFY_CAPACITY = 64;

10、HashMap 中的循环链表是如何产生的？

  • HashMap 是线程不安全的实现，当 2 个以上线程同时尝试扩大 HashMap 的容量，原散列表中一条链表上的所有节点加入到扩容后的新数组中时，它们最多将会分布在新数组中的两条链表上

  • JDK7 采用的是头插法将链表上的元素迁移到新数组中，会产生环形链表和数据丢失

  • JDK8 做出的优化使用尾插法插入链表元素虽然不会产生环形链表但仍然存在数据覆盖的问题

11、HashMap 为什么用红黑树而不用 B 树？

  • B/B+ 树多用于外存上时，被视为磁盘友好的数据结构
  • HashMap 本来是数组 + 链表的形式，由于链表查找慢的特点，所以使用查找效率更高的树结构来替换。如果用 B/B+ 树的话，在数据量不是很多的情况下，数据都会 “挤在” 一个结点里，这个时候遍历效率就退化成了链表

12、HashMap 为什么线程不安全？

  • JDK7 采用的是头插法将链表上的元素迁移到新数组中，会产生环形链表和数据丢失
  • JDK8 做出的优化使用尾插法插入链表元素虽然不会产生环形链表但仍然存在数据覆盖的问题

13、HashMap 如何实现线程安全？

  1. 使用 java.util.concurrent.ConcurrentHashMap（首选）
  2. 使用 Collections 工具类将 HashMap 包装成线程安全的 Map
  3. 使用 Hashtable

14、HashMap 是如何解决哈希冲突的？

为了解决碰撞，数组中的元素是单向链表类型。当链表长度达到 8 且数组长度达到 64 时，会将链表转换成红黑树提高性能。而当链表长度缩小到 6 时，又会将红黑树转换回单向链表提高性能

15、 说一说 HashMap 和 Hashtable 的区别

  • HashMap 线程不安全，允许使用 null 作为键和值
  • Hashtable 线程安全，但不允许使用 null 作为键和值，会引发空指针异常（效率较低不推荐使用）

16、HashMap 与 ConcurrentHashMap 有什么区别？

  • JDK1.7 的 HashMap 多线程操作会产生环形链表和数据丢失的问题，JDK8 的 HashMap 会产生数据覆盖的问题。基于 Collections 工具类将 HashMap 包装为线程安全的 Map 使用的是 synchronized 互斥锁的方式，性能与吞吐量较低（Hashtable 也基于 synchronized），允许使用 null 作为键和值
  • ConcurrentHashMap 底层采用分段锁/CAS加锁机制，只锁多线程的写操作而不锁读操作，因而效率较高，不允许使用 null 作为键和值

17、介绍一下 ConcurrentHashMap 是怎么实现的？

JDK1.7 中的实现：

在 jdk1.7 中，ConcurrentHashMap 是由 Segment 数据结构和 HashEntry 数组结构构成，采取分段锁来保证安全性。Segment 是 ReentrantLock 重入锁，在 ConcurrentHashMap 中扮演锁的角色，HashEntry 则用于存储键值对数据

一个 ConcurrentHashMap 里包含一个 Segment 数组，一个 Segment 里包含一个 HashEntry 数组，Segment 的结构和 HashMap 类似，是一个数组和链表结构

JDK1.8 中的实现：

JDK1.8 的实现已经摒弃了 Segment 的概念，而是直接用 Node 数组 + 链表 + 红黑树 的数据结构来实现，并发控制使用 synchronized 和 CAS 来操作，整个看起来就像是优化过且线程安全的 HashMap，虽然在 JDK1.8 中还能看到 Segment 的数据结构，但是已经简化了属性，只是为了兼容旧版本

18、ConcurrentHashMap 是怎么分段分组的？

get 操作：Segment 的 get 操作实现非常简单和高效，先经过一次再散列，然后使用这个散列值通过散列运算定位到 Segment，再通过散列算法定位到元素。get 操作的高效之处在于整个 get 过程都不需要加锁，除非读到空的值才会加锁重读。原因就是将使用的共享变量定义成 volatile 类型

put 操作：当执行 put 操作时，会经历两个步骤：

  1. 判断是否需要扩容
  2. 定位到添加元素的位置，将其放入 HashEntry 数组中

插入过程会进行第一次 key 的 hash 来定位 Segment 的位置，如果该 Segment 还没有初始化，即通过 CAS 操作进行赋值，然后进行第二次 hash 操作，找到相应的 HashEntry 的位置，这里会利用继承过来的锁的特性，在将数据插入指定的 HashEntry 位置时（尾插法），会通过继承 ReentrantLock 的 tryLock() 方法尝试去获取锁，如果获取成功就直接插入相应的位置，如果已经有线程获取该Segment 的锁，那当前线程会以自旋的方式去继续的调用 tryLock() 方法去获取锁，超过指定次数就挂起，等待唤醒

19、说一说你对 LinkedHashMap 的理解

LinkedHashMap 底层维护了一个数组 + 双向链表，数组的类型是 HashMap$Node[]，其中存放的元素是 LinkedHashMap$Entry 类型，在 HashMap 的数据结构基础之上，增加了一个双向链表用来记录元素的添加顺序，使得元素看起来是以插入顺序保存的

LinkedHashMap 需要维护元素的插入顺序，因此性能略低于 HashMap。但因为它以链表来维护内部顺序，所以在迭代访问 Map 里的全部元素时将有较好的性能

20、请介绍 LinkedHashMap 的底层原理

LinkedHashMap 继承于 HashMap，它在 HashMap 的基础上，通过维护一条双向链表解决了 HashMap 不能随时保持遍历顺序和插入顺序一致的问题。在实现上，LinkedHashMap 很多方法直接继承自 HashMap，仅为维护双向链表重写了部分方法

21、请介绍 TreeMap 的底层原理

TreeMap 基于红黑树（Red-Black tree）实现。映射根据其键的自然顺序进行排序，或者根据创建映射时提供的 Comparator 进行排序，具体取决于使用的构造方法

TreeMap 的基本操作 containsKey、get、put、remove 方法，它的时间复杂度是O(logN)

TreeMap 包含几个重要的成员变量：root、size、comparator。root 是红黑树 Entry 类型的根节点，size 是红黑树的节点个数，comparator 是比较器对象

static final class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> 
        K key;
        V value;
        Entry<K,V> left;
        Entry<K,V> right;
        Entry<K,V> parent;
        boolean color = BLACK;

        /**
         * Make a new cell with given key, value, and parent, and with
         * @code null child links, and BLACK color.
         */
        Entry(K key, V value, Entry<K,V> parent) 
            this.key = key;
            this.value = value;
            this.parent = parent;

22、Map 和 Set 有什么区别？

  • Set 代表无序的，元素不可重复的集合

  • Map 代表具有映射关系（key-value）的集合，其所有的 key 是一个 Set 集合，即 key 无序且不能重复

23、List 和 Set 有什么区别？

  • Set代表无序的，元素不可重复的集合

  • List代表有序的，元素可以重复的集合

24、ArrayList 和 LinkedList 有什么区别？

  • ArrayList 的实现基于对象数组，访问速度快，内存占用较低
  • LinkedList 的实现基于双向链表，插入和删除操作快，内存占用较高

25、有哪些线程安全的 List？

  1. Vector：比较古老的 API，虽然保证了线程安全，但是由于效率低一般不建议使用
  2. Collections.SynchronizedList：它比 Vector 有更好的扩展性和兼容性，但是它所有的方法都带有同步锁，也不是性能最优的 List
  3. CopyOnWriteArrayList：它是 Java1.5 在 java.util.concurrent 包下增加的类，底层采用复制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。在所有线程安全的 List 中，它是性能最优的方案

26、介绍一下 ArrayList 的数据结构？

ArrayList 的底层是用对象数组来实现的 transient Object[] elementData;

若创建对象时使用无参构造器，则初始容量为 0，第 1 次添加后容量设置为 10，此后按照 elementData 容量的 1.5 倍进行扩容

若创建对象时指定了容量，则 elementData 的初始容量为指定大小，需要扩容时按照 1.5 进行扩容

扩容时以 System.arraycopy() 将原数组中的元素复制到新的数组中

27、 谈谈 CopyOnWriteArrayList 的原理

  • CopyOnWriteArrayList 是 Java5 在 java.util.concurrent 并发包里提供的并发类，简单来说它就是一个线程安全且读操作无锁的 ArrayList。正如其名字一样，在写操作时会复制一份新的 List，在新的List上完成写操作，然后再将原引用指向新的List。这样就保证了写操作的线程安全

  • 优点：读操作性能很高，因为无需任何同步措施，比较适用于读多写少的并发场景。在遍历传统的 List 时，若中途有别的线程对其进行修改，则会抛出 ConcurrentModificationException 异常。而 CopyOnWriteArrayList 由于其 “读写分离” 的思想，遍历和修改操作分别作用在不同的 List 容器，所以在使用迭代器进行遍历时候，也就不会抛出 ConcurrentModificationException 异常了

  • 缺点：一是内存占用问题，毕竟每次执行写操作都要将原容器拷贝一份，数据量大时，对内存压力较大，可能会引起频繁 GC。

    二是无法保证实时性，Vector 对于读写操作均加锁同步，可以保证读和写的强一致性。而 CopyOnWriteArrayList 由于其实现策略的原因，写和读分别作用在新老不同容器上，在写操作执行过程中，读不会阻塞但读取到的却是老容器的数据

28、说一说 TreeSet 和 HashSet 的区别

HashSet、TreeSet 都是不能重复的且线程不安全的集合，二者的区别是：

  1. HashSet 中的元素可以是 null，但 TreeSet 中的元素不能是 null

    HashSet<Integer> hashSet = new HashSet<>();
hashSet.add(null);
TreeSet<Integer> treeSet = new TreeSet<>();
// java.lang.NullPointerException
treeSet.add(null);

  2. HashSet 不能保证元素的排列顺序，而 TreeSet 支持自然排序、定制排序两种排序的方式

  3. HashSet 底层是采用哈希表实现的，而 TreeSet 底层是采用红黑树实现的

29、说一说 HashSet 的底层结构

HashSet 的底层是基于 HashMap 实现的，只是 HashMap 中的 value 存储的是固定对象 PRESENT

// Dummy value to associate with an Object in the backing Map
private static final Object PRESENT = new Object();

30、BlockingQueue 中有哪些方法，为什么这样设计？

为了应对不同的业务场景，BlockingQueue 提供了 4 组不同的方法用于插入、移除以及对队列中的元素进行检查

操作抛异常特定值阻塞超时
插入add(e)offer(e)put(e)offer(e, time, unit)
移除remove()poll()take()poll(time, unit)
检查element()peek()
  • 抛异常：如果操作无法立即执行，则抛一个异常
  • 特定值：如果操作无法立即执行，则返回一个特定的值（一般是 true / false）
  • 阻塞：如果操作无法立即执行，则该方法调用将会发生阻塞，直到能够执行
  • 超时：如果操作无法立即执行，则该方法调用将会发生阻塞，直到能够执行。但等待时间不会超过给定值，并返回一个特定值以告知该操作是否成功（典型的是true / false）

31、BlockingQueue 是怎么实现的？

BlockingQueue 接口的继承体系图及常用实现类，各实现类的区别主要体现在存储结构或元素操作上，但 put 与 take 操作的原理类似

以 ArrayBlockingQueue 为例分析 BlockingQueue 的实现原理：

	/**
     * Creates an @code ArrayBlockingQueue with the given (fixed)
     * capacity and the specified access policy.
     *
     * @param capacity the capacity of this queue
     * @param fair if @code true then queue accesses for threads blocked
     *        on insertion or removal, are processed in FIFO order;
     *        if @code false the access order is unspecified.
     * @throws IllegalArgumentException if @code capacity < 1
     */
    public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair) 
        if (capacity <= 0) throw new IllegalArgumentException();
        this.items = new Object[capacity];
        // 初始化 put 和 take 函数中用到的关键成员变量，ReentrantLock是 AbstractQueuedSynchronizer（AQS）的子类，它的 newCondition 函数返回的 Condition 实例，是定义在 AQS 类内部的 ConditionObject 类，该类可以直接调用 AQS 相关的函数
        lock = new ReentrantLock(fair);
        notEmpty = lock.newCondition();
        notFull 以上是关于[Interview]Java 面试宝典系列之 Java 集合类的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章
 

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