Java面试准备之探究集合（未完）

Posted 2020-10-05 stubborn

摘要：之前虽然对集合框架一些知识点作了总结，但是想想面试可能会问源码，于是又大致研究了一下集合框架的一些实现类的源码，在此整理一下。

一.集合框架

 

二.深究实现类

1.ArrayList源码实现

　　ArrayList内部维护了一个动态数组，如果没有显式的初始化的话，动态数组的默认容量是10，当数组容量已满时，每次将容量扩大至1.5倍加1。

　　ArrayList的remove、add、clear等方法的实现原理都是对内部的Object数组进行操作，需要注意的是，在add方法执行前，都会提前对数组的容量进行确认，如果已满，则先进行扩容，此处很简单，就不对源码进行解析了。

 　　需要注意的是有一个方法trimToSize，这个方法的作用是去掉预留位置，在内存紧张时会用到。

    /**
     * Returns the element at the specified position in this list.
     *
     * @param  index index of the element to return
     * @return the element at the specified position in this list
     * @throws IndexOutOfBoundsException {@inheritDoc}
     */
    public E get(int index) {
        rangeCheck(index);

        return elementData(index);
    }

    /**
     * Replaces the element at the specified position in this list with
     * the specified element.
     *
     * @param index index of the element to replace
     * @param element element to be stored at the specified position
     * @return the element previously at the specified position
     * @throws IndexOutOfBoundsException {@inheritDoc}
     */
    public E set(int index, E element) {
        rangeCheck(index);

        E oldValue = elementData(index);
        elementData[index] = element;
        return oldValue;
    }

    /**
     * Appends the specified element to the end of this list.
     *
     * @param e element to be appended to this list
     * @return <tt>true</tt> (as specified by {@link Collection#add})
     */
    public boolean add(E e) {
        ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
        elementData[size++] = e;
        return true;
    }

    /**
     * Inserts the specified element at the specified position in this
     * list. Shifts the element currently at that position (if any) and
     * any subsequent elements to the right (adds one to their indices).
     *
     * @param index index at which the specified element is to be inserted
     * @param element element to be inserted
     * @throws IndexOutOfBoundsException {@inheritDoc}
     */
    public void add(int index, E element) {
        rangeCheckForAdd(index);

        ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
        System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,
                         size - index);
        elementData[index] = element;
        size++;
    }

    /**
     * Removes the element at the specified position in this list.
     * Shifts any subsequent elements to the left (subtracts one from their
     * indices).
     *
     * @param index the index of the element to be removed
     * @return the element that was removed from the list
     * @throws IndexOutOfBoundsException {@inheritDoc}
     */
    public E remove(int index) {
        rangeCheck(index);

        modCount++;
        E oldValue = elementData(index);

        int numMoved = size - index - 1;
        if (numMoved > 0)
            System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,
                             numMoved);
        elementData[--size] = null; // clear to let GC do its work

        return oldValue;
    }

    /**
     * Removes the first occurrence of the specified element from this list,
     * if it is present.  If the list does not contain the element, it is
     * unchanged.  More formally, removes the element with the lowest index
     * <tt>i</tt> such that
     * <tt>(o==null&nbsp;?&nbsp;get(i)==null&nbsp;:&nbsp;o.equals(get(i)))</tt>
     * (if such an element exists).  Returns <tt>true</tt> if this list
     * contained the specified element (or equivalently, if this list
     * changed as a result of the call).
     *
     * @param o element to be removed from this list, if present
     * @return <tt>true</tt> if this list contained the specified element
     */
    public boolean remove(Object o) {
        if (o == null) {
            for (int index = 0; index < size; index++)
                if (elementData[index] == null) {
                    fastRemove(index);
                    return true;
                }
        } else {
            for (int index = 0; index < size; index++)
                if (o.equals(elementData[index])) {
                    fastRemove(index);
                    return true;
                }
        }
        return false;
    }

ArrayList

2.Vector源码实现

　　Vector同ArrayList相同，也是内部维护了一个动态数组，数组默认长度是10，但是扩容方案与ArrayList有所不同，Vector扩容后的容量取决于扩容因子capacityIncremen和旧数组容量oldCapacity，法则如下：int newCapacity = (capacityIncrement > 0) ?(oldCapacity + capacityIncrement) : (oldCapacity * 2)，注意：在计算出新数组尺寸后，还要与Vector类内部定义的最小值和最大值进行比较，如果超过上下限，那么新数组容量就等于上下限。另外，如果初始化时未传入扩容因子，那么扩容因子默认为0。

　　Vector的基本增删等操作的实现原理与ArrayList相同，都是简单的对数组进行操作。

　　Vector是线程安全的，实现的方式就是在基本操作的方法添加了synchronized关键字进行修饰，这样就确保了这个方法只能在同一时刻只能被一个线程访问，从而保证了多线程访问的安全性。

　　Vector内部也实现了迭代器，不过是用Enumeration来实现的。

    public Enumeration<E> elements() {
        return new Enumeration<E>() {
            int count = 0;

            public boolean hasMoreElements() {
                return count < elementCount;
            }

            public E nextElement() {
                synchronized (Vector.this) {
                    if (count < elementCount) {
                        return elementData(count++);
                    }
                }
                throw new NoSuchElementException("Vector Enumeration");
            }
        };
    }

Vector

3.LinkedList

　　LinkedList内部通过一个双向链表实现，每一个传入的对象都会转化为一个Node节点(Entry和Node都是通过一个内部类实现的)，LinkedList的增删基本操作的实现就是通过对链表的节点地址赋值或置null来实现的，具体是link和unlink类似的方法。

    private static class Node<E> {
        E item;
        Node<E> next;
        Node<E> prev;

        Node(Node<E> prev, E element, Node<E> next) {
            this.item = element;
            this.next = next;
            this.prev = prev;
        }
    }


    public boolean add(E e) {
        linkLast(e);
        return true;
    }

    public boolean remove(Object o) {
        if (o == null) {
            for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
                if (x.item == null) {
                    unlink(x);
                    return true;
                }
            }
        } else {
            for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
                if (o.equals(x.item)) {
                    unlink(x);
                    return true;
                }
            }
        }
        return false;
    }

LinkedList

4.HashSet

　　HashSet内部是通过HashMap底层来实现的，只不过是将HashMap的value全部赋值为一个常量Object对象，内部的增删等方法都是直接调用hashMap的方法，故在此不做赘述，等HashMap再深入分析。

    private transient HashMap<E,Object> map;
    private static final Object PRESENT = new Object();   
     public boolean add(E e) {
        return map.put(e, PRESENT)==null;
    }

    public boolean remove(Object o) {
        return map.remove(o)==PRESENT;
    }

HashSet

5.TreeSet

　　TreeSet内部是通过TreeMap底层来实现的，与HashSet相同，都是将value设定成一个常量。

6.HashMap

　　HashMap底层是通过数组加链表的数据结构实现的，为什么使用数据加链表的形式呢？这就引出了一个很重要的问题，就是哈希冲突的问题，我们都知道，对于hashXXX这种实现类，确保key唯一性的方法就是hashCode和equals方法，当往HashMap中存入元素时，会先依据元素的哈希值找到这个元素在数组中的位置(哈希值与数组中的索引一一对应)，如果当前位置已经存在然后对key进行比较，如果相同的话，那么把更新key的value，如果不同的话，就会造成哈希冲突的问题，那么HashMap是如何解决哈希冲突的问题呢？答案是链地址法。

　　如上图所示即为HashMap的存储结构，HashMap内部会将每一个存储的元素转化为一个Node，这个Node有三个属性，分别是hash、key、value、next，以put方法为例，当插入元素时，首先对key求解对应得哈希值，找到bucket的位置，然后查看该位置上有无元素，如果没有，直接插入；如果有，运用equels方法在此对key进行判断，如果有相同Key则更新，否则插入，注意插入顺序依次往后延。这样就解决了哈希冲突的问题。

7.TreeMap

　　TreeMap内部维系了红黑树，TreeMap会将每一个元素转化为Entry，Entry有五个重要的属性：key、value、left、right、parent。大体流程如下：以put操作为例，每当插入元素时，都会对元素的key进行排序，如果大于当前节点值就放到左子树，否则右子树，不断循环，直到变成叶子节点，往往排序完成后，整个树的结构就不满足红黑树的标准l了，所以每次方法调用结束都会执行fixAfterInsertion方法对树进行调整，以达到红黑树的要求。

　　排序的准则有两种，一种是元素自身具备比较性，另一种是提供一个比较器。

　　1.如何让元素自身具备比较性？实现comparable接口，重写conpareto方法

　　2.比较器的建立：实现comparator接口，重写conpare方法，并且在实例化一个TreeMap时，将此比较器作为形参传入。

　　如要注意的是，TreeMap内部在排序时，会先判断是否有比较器，如果有，那么就不会去检查元素自身是否具有比较性了。

    public V put(K key, V value) {
        Entry<K,V> t = root;
        if (t == null) {
            compare(key, key); // type (and possibly null) check

            root = new Entry<>(key, value, null);
            size = 1;
            modCount++;
            return null;
        }
        int cmp;
        Entry<K,V> parent;
        // split comparator and comparable paths
        Comparator<? super K> cpr = comparator;
        if (cpr != null) {
            do {
                parent = t;
                cmp = cpr.compare(key, t.key);
                if (cmp < 0)
                    t = t.left;
                else if (cmp > 0)
                    t = t.right;
                else
                    return t.setValue(value);
            } while (t != null);
        }
        else {
            if (key == null)
                throw new NullPointerException();
            @SuppressWarnings("unchecked")
                Comparable<? super K> k = (Comparable<? super K>) key;
            do {
                parent = t;
                cmp = k.compareTo(t.key);
                if (cmp < 0)
                    t = t.left;
                else if (cmp > 0)
                    t = t.right;
                else
                    return t.setValue(value);
            } while (t != null);
        }
        Entry<K,V> e = new Entry<>(key, value, parent);
        if (cmp < 0)
            parent.left = e;
        else
            parent.right = e;
        fixAfterInsertion(e);
        size++;
        modCount++;
        return null;
    }

TreeMap

 8.LinkedHashMap

　　LinkedHashMap与HashMap有着同样的存储结构，但它加入了一个双向链表的头结点，将所有put到LinkedHashmap的节点一一串成了一个双向循环链表，因此它保留了节点插入的顺序，可以使节点的输出顺序与输入顺序相同。

******************************分割线*******************************

转一篇很好的有关HashMap的小文章

HashMap的工作原理是近年来常见的Java面试题。几乎每个Java程序员都知道HashMap，都知道哪里要用HashMap，知道Hashtable和HashMap之间的区别，那么为何这道面试题如此特殊呢？是因为这道题考察的深度很深。这题经常出现在高级或中高级面试中。投资银行更喜欢问这个问题，甚至会要求你实现HashMap来考察你的编程能力。ConcurrentHashMap和其它同步集合的引入让这道题变得更加复杂。让我们开始探索的旅程吧！

先来些简单的问题

“你用过HashMap吗？” “什么是HashMap？你为什么用到它？”

几乎每个人都会回答“是的”，然后回答HashMap的一些特性，譬如HashMap可以接受null键值和值，而Hashtable则不能；HashMap是非synchronized;HashMap很快；以及HashMap储存的是键值对等等。这显示出你已经用过HashMap，而且对它相当的熟悉。但是面试官来个急转直下，从此刻开始问出一些刁钻的问题，关于HashMap的更多基础的细节。面试官可能会问出下面的问题：

“你知道HashMap的工作原理吗？” “你知道HashMap的get()方法的工作原理吗？”

你也许会回答“我没有详查标准的Java API，你可以看看Java源代码或者Open JDK。”“我可以用Google找到答案。”

但一些面试者可能可以给出答案，“HashMap是基于hashing的原理，我们使用put(key, value)存储对象到HashMap中，使用get(key)从HashMap中获取对象。当我们给put()方法传递键和值时，我们先对键调用hashCode()方法，返回的hashCode用于找到bucket位置来储存Entry对象。”这里关键点在于指出，HashMap是在bucket中储存键对象和值对象，作为Map.Entry。这一点有助于理解获取对象的逻辑。如果你没有意识到这一点，或者错误的认为仅仅只在bucket中存储值的话，你将不会回答如何从HashMap中获取对象的逻辑。这个答案相当的正确，也显示出面试者确实知道hashing以及HashMap的工作原理。但是这仅仅是故事的开始，当面试官加入一些Java程序员每天要碰到的实际场景的时候，错误的答案频现。下个问题可能是关于HashMap中的碰撞探测(collision detection)以及碰撞的解决方法：

“当两个对象的hashcode相同会发生什么？” 从这里开始，真正的困惑开始了，一些面试者会回答因为hashcode相同，所以两个对象是相等的，HashMap将会抛出异常，或者不会存储它们。然后面试官可能会提醒他们有equals()和hashCode()两个方法，并告诉他们两个对象就算hashcode相同，但是它们可能并不相等。一些面试者可能就此放弃，而另外一些还能继续挺进，他们回答“因为hashcode相同，所以它们的bucket位置相同，‘碰撞’会发生。因为HashMap使用链表存储对象，这个Entry(包含有键值对的Map.Entry对象)会存储在链表中。”这个答案非常的合理，虽然有很多种处理碰撞的方法，这种方法是最简单的，也正是HashMap的处理方法。但故事还没有完结，面试官会继续问：

“如果两个键的hashcode相同，你如何获取值对象？” 面试者会回答：当我们调用get()方法，HashMap会使用键对象的hashcode找到bucket位置，然后获取值对象。面试官提醒他如果有两个值对象储存在同一个bucket，他给出答案:将会遍历链表直到找到值对象。面试官会问因为你并没有值对象去比较，你是如何确定确定找到值对象的？除非面试者直到HashMap在链表中存储的是键值对，否则他们不可能回答出这一题。

其中一些记得这个重要知识点的面试者会说，找到bucket位置之后，会调用keys.equals()方法去找到链表中正确的节点，最终找到要找的值对象。完美的答案！

许多情况下，面试者会在这个环节中出错，因为他们混淆了hashCode()和equals()方法。因为在此之前hashCode()屡屡出现，而equals()方法仅仅在获取值对象的时候才出现。一些优秀的开发者会指出使用不可变的、声明作final的对象，并且采用合适的equals()和hashCode()方法的话，将会减少碰撞的发生，提高效率。不可变性使得能够缓存不同键的hashcode，这将提高整个获取对象的速度，使用String，Interger这样的wrapper类作为键是非常好的选择。

如果你认为到这里已经完结了，那么听到下面这个问题的时候，你会大吃一惊。“如果HashMap的大小超过了负载因子(load factor)定义的容量，怎么办？”除非你真正知道HashMap的工作原理，否则你将回答不出这道题。默认的负载因子大小为0.75，也就是说，当一个map填满了75%的bucket时候，和其它集合类(如ArrayList等)一样，将会创建原来HashMap大小的两倍的bucket数组，来重新调整map的大小，并将原来的对象放入新的bucket数组中。这个过程叫作rehashing，因为它调用hash方法找到新的bucket位置。

如果你能够回答这道问题，下面的问题来了：“你了解重新调整HashMap大小存在什么问题吗？”你可能回答不上来，这时面试官会提醒你当多线程的情况下，可能产生条件竞争(race condition)。

当重新调整HashMap大小的时候，确实存在条件竞争，因为如果两个线程都发现HashMap需要重新调整大小了，它们会同时试着调整大小。在调整大小的过程中，存储在链表中的元素的次序会反过来，因为移动到新的bucket位置的时候，HashMap并不会将元素放在链表的尾部，而是放在头部，这是为了避免尾部遍历(tail traversing)。如果条件竞争发生了，那么就死循环了。这个时候，你可以质问面试官，为什么这么奇怪，要在多线程的环境下使用HashMap呢？：）

热心的读者贡献了更多的关于HashMap的问题：

1. 为什么String, Interger这样的wrapper类适合作为键？ String, Interger这样的wrapper类作为HashMap的键是再适合不过了，而且String最为常用。因为String是不可变的，也是final的，而且已经重写了equals()和hashCode()方法了。其他的wrapper类也有这个特点。不可变性是必要的，因为为了要计算hashCode()，就要防止键值改变，如果键值在放入时和获取时返回不同的hashcode的话，那么就不能从HashMap中找到你想要的对象。不可变性还有其他的优点如线程安全。如果你可以仅仅通过将某个field声明成final就能保证hashCode是不变的，那么请这么做吧。因为获取对象的时候要用到equals()和hashCode()方法，那么键对象正确的重写这两个方法是非常重要的。如果两个不相等的对象返回不同的hashcode的话，那么碰撞的几率就会小些，这样就能提高HashMap的性能。
2. 我们可以使用自定义的对象作为键吗？ 这是前一个问题的延伸。当然你可能使用任何对象作为键，只要它遵守了equals()和hashCode()方法的定义规则，并且当对象插入到Map中之后将不会再改变了。如果这个自定义对象时不可变的，那么它已经满足了作为键的条件，因为当它创建之后就已经不能改变了。
3. 我们可以使用CocurrentHashMap来代替Hashtable吗？这是另外一个很热门的面试题，因为ConcurrentHashMap越来越多人用了。我们知道Hashtable是synchronized的，但是ConcurrentHashMap同步性能更好，因为它仅仅根据同步级别对map的一部分进行上锁。ConcurrentHashMap当然可以代替HashTable，但是HashTable提供更强的线程安全性。看看这篇博客查看Hashtable和ConcurrentHashMap的区别。

我个人很喜欢这个问题，因为这个问题的深度和广度，也不直接的涉及到不同的概念。让我们再来看看这些问题设计哪些知识点：

• hashing的概念
• HashMap中解决碰撞的方法
• equals()和hashCode()的应用，以及它们在HashMap中的重要性
• 不可变对象的好处
• HashMap多线程的条件竞争
• 重新调整HashMap的大小

总结

HashMap的工作原理

HashMap基于hashing原理，我们通过put()和get()方法储存和获取对象。当我们将键值对传递给put()方法时，它调用键对象的hashCode()方法来计算hashcode，让后找到bucket位置来储存值对象。当获取对象时，通过键对象的equals()方法找到正确的键值对，然后返回值对象。HashMap使用链表来解决碰撞问题，当发生碰撞了，对象将会储存在链表的下一个节点中。 HashMap在每个链表节点中储存键值对对象。

当两个不同的键对象的hashcode相同时会发生什么？ 它们会储存在同一个bucket位置的链表中。键对象的equals()方法用来找到键值对。

因为HashMap的好处非常多，我曾经在电子商务的应用中使用HashMap作为缓存。因为金融领域非常多的运用Java，也出于性能的考虑，我们会经常用到HashMap和ConcurrentHashMap。你可以查看更多的关于HashMap的文章:

• HashMap和Hashtable的区别
• HashMap和HashSet的区别

原文链接： Javarevisited 翻译： ImportNew.com - 唐小娟
译文链接： http://www.importnew.com/7099.html