Java集合容器面試題

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面試套路

1. Java中常用的集合類哪些?
2. 你最常用的是哪些？
3. 說一說實現原理
4. 怎麼擴容、怎麼處理hash衝突、不同jdk版本的區別，有沒有線程安全的集合類

Java常用集合類有哪些？

• Collection接口的子接口包括：Set接口和List接口
• Map接口的實現類主要有：HashMap、TreeMap、Hashtable、ConcurrentHashMap以及Properties等
• Set接口的實現類主要有：HashSet、TreeSet、LinkedHashSet等
• List接口的實現類主要有：ArrayList、LinkedList、Stack以及Vector等

HashMap與HashTable的區別？

• HashMap沒有考慮同步，是線程不安全的；HashTable使用了synchronized關鍵字，是線程安全的；
• HashMap允許K/V都爲null；後者K/V都不允許爲null；
• HashMap繼承自AbstractMap類；而Hashtable繼承自Dictionary類；

JDK1.8以後HashMap的put方法的具體流程？

當 HashMap 中有大量的元素都存放到同一個桶中時，這個桶下有一條長長的鏈表，這個時候 HashMap 就相當於一個單鏈表，假如單鏈表有 n 個元素，遍歷的時間複雜度就是 O(n)，完全失去了它的優勢。
針對這種情況，JDK 1.8 中引入了 紅黑樹（查找時間複雜度爲 O(logn)）來優化這個問題。

ArrayList、LinkList、Vetor的區別？

List主要有ArrayList、LinkedList與Vector幾種實現。

• ArrayList
  是一個可改變大小的數組.其大小可以動態地增長.內部的元素可以直接通過get與set方法進行訪問,因爲ArrayList本質上就是一個數組.
• LinkedList
  是一個雙鏈表,在添加和刪除元素時具有比ArrayList更好的性能.但在get與set方面弱於ArrayList.這些都是指數據量很大或者操作很頻繁的情況下的對比
• Vector
  和ArrayList類似,但屬於強同步類。如果你的程序本身是線程安全的(thread-safe,沒有在多個線程之間共享同一個集合/對象),那麼使用ArrayList是更好的選擇。
• Vector和ArrayList在更多元素添加進來時會請求更大的空間。Vector每次請求其大小的雙倍空間，而ArrayList每次對size增長50%.而 LinkedList 還實現了 Queue 接口,該接口比List提供了更多的方法,包offer(),peek(),poll()等. 注意:默認情況下ArrayList的初始容量非常小,所以如果可以預估數據量的話,分配一個較大的初始值屬於最佳實踐,這樣可以減少調整大小的開銷。

HashMap、HashTable的區別？

• 線程安全： HashTable 中的方法是同步的，而HashMap中的方法在默認情況下是非同步的。在多線程併發的環境下，可以直接使用HashTable，但是要使用HashMap的話就要自己增加同步處理了。
• 繼承關係： HashTable是基於陳舊的Dictionary類繼承來的。HashMap繼承的抽象類AbstractMap實現了Map接口。
• 允不允許null值：HashTable中，key和value都不允許出現null值，否則會拋出NullPointerException異常。HashMap中，null可以作爲鍵，這樣的鍵只有一個；可以有一個或多個鍵所對應的值爲null。
• 默認初始容量和擴容機制： HashTable中的hash數組初始大小是11，增加的方式是old*2+1。HashMap中hash數組的默認大小是16，而且一定是2的指數。
• 哈希值的使用不同 ： HashTable直接使用對象的hashCode。 HashMap重新計算hash值。
• 遍歷方式的內部實現上不同 ： Hashtable、HashMap都使用了 Iterator。而由於歷史原因，Hashtable還使用了Enumeration的方式 。 HashMap 實現Iterator，支持fast-fail，Hashtable的 Iterator 遍歷支持fast-fail，用 Enumeration不支持 fast-fail

HashMap 和 ConcurrentHashMap 的區別？

• ConcurrentHashMap和HashMap的實現方式不一樣，雖然都是使用桶數組實現的，但是還是有區別，ConcurrentHashMap對桶數組進行了分段，而HashMap並沒有。
• ConcurrentHashMap在每一個分段上都用鎖進行了保護。HashMap沒有鎖機制。所以，前者線程安全的，後者不是線程安全的。

PS：以上區別基於jdk1.8以前的版本。

不同版本JDK的HashMap的實現的區別以及原因

（1）鏈表元素的插入方式不一樣

• JDK1.7用的是頭插法，而JDK1.8及之後使用的都是尾插法
• 因爲JDK1.7是用單鏈表進行的縱向延伸，當採用頭插法時會容易出現逆序且環形鏈表死循環問題。
• 在JDK1.8之後是因爲加入了紅黑樹使用尾插法，能夠避免出現逆序且鏈表死循環的問題。

（2）擴容後數據存儲位置的計算方式不一樣

• 在JDK1.7的時候是直接用hash值和需要擴容的二進制數進行&（這裏就是爲什麼擴容的時候爲啥一定必須是2的多少次冪的原因所在，因爲如果只有2的n次冪的情況時最後一位二進制數才一定是1，這樣能最大程度減少hash碰撞）（hash值 & length-1）
• 在JDK1.8的時候直接用了JDK1.7的時候計算的規律，也就是擴容前的原始位置+擴容的大小值=JDK1.8的計算方式，而不再是JDK1.7的那種異或的方法。但是這種方式就相當於只需要判斷Hash值的新增參與運算的位是0還是1就直接迅速計算出了擴容後的儲存方式。

（3）數據結構不一樣

• JDK1.7的時候使用的是數組+ 單鏈表的數據結構。
• 在JDK1.8及之後時，使用的是數組+鏈表+紅黑樹的數據結構（當鏈表的深度達到8的時候，也就是默認閾值，就會自動擴容把鏈表轉成紅黑樹的數據結構來把時間複雜度從O（n）變成O（logN）提高了效率）

（4）爲什麼在JDK1.8中HashMap把鏈表轉化爲紅黑樹的閾值是8？

• 由於treenodes的大小大約是常規節點的兩倍，因此我們僅在容器包含足夠的節點以保證使用時才使用它們，當它們變得太小（由於移除或調整大小）時，它們會被轉換回普通的node節點，容器中節點分佈在hash桶中的頻率遵循泊松分佈，桶的長度超過8的概率非常非常小。所以作者應該是根據概率統計而選擇了8作爲閥值（Java註釋中的解釋）

Hashmap的結構，1.7和1.8有哪些區別

Collection和Collections的區別

• Collection：是集合類的上層接口。本身是一個Interface，裏面包含了一些集合的基本操作。Collection接口是Set接口和List接口的父接口
• Collections：Collections是一個集合框架的幫助類，裏面包含一些對集合的排序，搜索以及序列化的操作。

Arrays.asList獲得的List使用時需要注意什麼

Arrays.asList得到的List它的長度是不能改變的。當你向這個List添加或刪除一個元素時（例如 list.add(“d”);）程序就會拋出異常（java.lang.UnsupportedOperationException）。
public static List asList(T… a) {
return new ArrayList<>(a);
}

當你看到這段代碼時可能覺得沒啥問題啊，不就是返回了一個ArrayList對象嗎？問題就出在這裏。這個ArrayList不是java.util包下的，而是java.util.Arrays.ArrayList，顯然它是Arrays類自己定義的一個內部類！這個內部類沒有實現add()、remove()方法，而是直接使用它的父類AbstractList的相應方法。而AbstractList中的add()和remove()是直接拋出java.lang.UnsupportedOperationException異常的！

Fail-fast和Fail-safe

• 線程不安全的類，併發情況下可能會出現快速失敗；線程安全的類，可能會出現安全失敗
• 一個線程在遍歷，另一個線程在添加、刪除或修改，就會出現併發修改的問題
• 當遍歷時檢測到併發修改，就會拋出異常：concurrentmodificationException，這就是快速失敗
• ArrayList.iterator()返回一個迭代器對象，其中使用一個int類型的expectedModCount記錄狀態，當發生添加、刪除、修改操作時會更改這個值，當遍歷時調用next()會檢查這個值跟開始遍歷時是否一致，發現expectedModCount發生了變化，就意味着有併發修改，這時候就拋出異常iterator.remove()方法沒有進行modCount值的檢查，並且手動把expectedModCount值修改成了modCount值，這又保證了下一次迭代的正確。
• fail-safe是一個概念，併發容器的併發修改不會拋出異常，這和其實現有關。併發容器的iterate方法返回的iterator對象，內部都是保存了該集合對象的一個快照副本，並且沒有modCount等數值做檢查。這也造成了併發容器的iterator讀取的數據是某個時間點的快照版本。你可以併發讀取，不會拋出異常，但是不保證你遍歷讀取的值和當前集合對象的狀態是一致的！這就是安全失敗的含義。

CopyOnWriteArrayList、ConcurrentSkipListMap

• ConcurrentSkipListMap和ConcurrentSkipListSet是TreeMap和TreeSet的有序容器的併發版本
• ConcurrentSkipListMap的底層是通過跳錶來實現的。跳錶（Skiplist）是一個鏈表，但是通過使用“跳躍式”查找的方式使得插入、讀取數據時複雜度變成了O（logn），跳錶以空間換時間，是基於鏈表實現的一種類似“二分”的算法。
• CopyOnWriteArrayList使用了一種叫寫時複製的方法，當有新元素添加到CopyOnWriteArrayList時，先從原有的數組中拷貝一份出來，然後在新的數組做寫操作，寫完之後，再將原來的數組引用指向到新數組，合適讀多寫少的場景

ConcurrentSkipListMap與CopyOnWriteArrayList

Hashmap 什麼時候進行擴容呢？

• 默認大小爲16、負載因子爲0.75，即超過12就擴容，容量擴大一倍
• 新建hashmap時設置初始大小，假如有1000個元素，不能設置1000，因爲元素數量爲750時就會自動擴容，要避免自動擴容，要讓元素數量不超過初始容量的0.75
• 擴容時會重新計算元素在數組中的位置，儘量避免擴容
• Hash的公式—> index = HashCode（Key） & （Length - 1）
• 因爲resize的賦值方式，也就是使用了單鏈表的頭插入方式，同一位置上新元素總會被放在鏈表的頭部位置，在舊數組中同一條Entry鏈上的元素，通過重新計算索引位置後，有可能被放到了新數組的不同位置上。會形成環形列表。
• 使用頭插會改變鏈表的上的順序，但是如果使用尾插，在擴容時會保持鏈表元素原本的順序，就不會出現鏈表成環的問題了。Java8在同樣的前提下並不會引起死循環，原因是擴容轉移後前後鏈表順序不變，保持之前節點的引用關係。

HashMap的默認初始化長度是多少？爲什麼?

• 默認是16，可以是其他2的冪
• hash函數可以將任意長度的輸入經過變化以後得到固定長度的輸出，如果兩個元素不相同，但是hash函數的值相同，這兩個元素就是一個碰撞
• 爲了減少hash值的碰撞，需要實現一個儘量均勻分佈的hash函數，在HashMap中index = key的hashcode值 & length-1
• 長度16或者其他2的冪時，length - 1的值是所有二進制位全爲1，這種情況下index的結果等同於hashcode後幾位的值，只要輸入的hashcode本身分佈均勻,hash算法的結果就是均勻的
• 所以HashMap的默認長度爲16，是爲了降低hash碰撞的機率

哈希表如何解決Hash衝突？

爲什麼 HashMap 中 String、Integer 這樣的包裝類適合作爲 key 鍵

HashMap 中的 key若爲 Object類型， 則需實現哪些方法？

List、Map、Set 三個接口，存取元素時，各有什麼特點？

Set 裏的元素是不能重複的，那麼用什麼方法來區分重複與否呢? 是用 == 還是equals()? 它們有何區別?

Java 集合類框架的最佳實踐有哪些？