面试八股文之——Java集合

众所周知，程序员的技术能力考核大部分来源于面试和笔试，少数人可以靠着开源项目或者是证书、个人作品(书籍)等提升求职竞争力而直接获取offer。绝大多数程序员依旧是靠面试来获取offer。因此对待面试题，很多时候，应聘者需要做很多的准备，本文将对Java集合高频面试题目进行分享。

一、ArrayList篇

1.ArrayList是如何实现自动扩容的?是线程安全的吗？如何实现线程安全?

ArrayList默认size是10，当然，也可以在初始化指定长度大小，当数组空间不足时，则会创建一个新数组，长度为原数组的1.5倍，采用Arrays.CopyOf方法将原数组数据复制到新数组中。扩容后，再将待插入的数据放入新数组中。
ArrayList不是线程安全的，在多线程情况下，会发生线程不安全的问题，比如在扩容过程中，A/B两个线程同时插入1条数据，由于扩容过程没有采取同步，容易导致扩容过程中，某个线程插入记录丢失，发生异常。
实现线程安全有很多种方式：
1.最简单的措施，采用线程安全的List——CopyOnWriteArrayList【推荐，简单高效】
2.基于ArrayList改造，在进行扩容中，加入锁设计，比如显示地使用Lock锁，或者使用synchronized关键字。
3.显示地在ArrayList的插入、删除方法中引入锁。

2.ArrayList、Vector、LinkedList的存储性能及特性

1.ArrayList/Vector底层采用数组实现，具备插入慢、读取快的特点，插入慢的原因是，每次插入后，插入位置后的所有数组元素都需要往后移动一位，扩容过程也会降低插入效率，读取快的原因是，只需要知道数组下标即可快速计算出对象的存储地址。
2.Vector是线程安全，其他不是，但是由于采用了synchronized关键字来保证同步，性能较差。是早起版本的容器，官方已不在推荐使用。
3.LinkedList基于双向链表实现，具备插入快、读取慢的特点。读取慢是由于每次访问数据，需要通过遍历来获取指定位置的元素，插入快是因为插入过程中，只需要记录元素的前后项，并采用指针指向即可，受影响的元素只有2个。

二、HashMap篇

1.单线程下HashMap工作原理?

1.基本参数：size 元素个数，threshold 扩容阈值，loadFactor 负载因子，modCount 记录hashMap内部结构修改次数，DEFAULT_INITIAL_CAPACITY 初始容量大小，扩容阈值等于负载因此*容量大小
2.数据结构：数组桶+链表（JDK1.8优化后，当链表长度大于等于8则转为红黑树）
3.特征：存储KV数据，数据访问速度快，允许存null值和null键，线程不安全
4.put方法执行步骤：
(1) 计算元素Key的hash(采用Key的hashCode和高16位hashCode经过异或计算得到)，将hash与容量长度减一进行按位与操作，等价于与容量长度size进行取模，得到数组的下标。按位与效率更高。
(2) 如当前下标无数据，直接插入即可，如发生hash碰撞，则采用头插法插入，JDK8之后改用尾插法，构建链表结构
(3) 当链表长度大于等于8且map容量大于等于64，改为红黑树进行存储【旨在解决链表过长导致查询时间增加的问题】，当红黑树节点数小于等于6，改为链表存储。
(4) 当插入元素达到扩容阈值threshold，则会发生扩容，采用2倍扩容。

2.HashMap如何解决Hash冲突的?

常见解决hash冲突的方法有四种：
1.开放定址法，也称为线性探测法，从发生冲突的位置开始，按照一定的次序，从Hash表中找到一个空闲的位置，然后将发生冲突的元素插入到这个空闲位置。ThreadLocal采用这种方法来解决Hash冲突。
2.链式寻址法，将发生冲突的Key，用单向链表来存储，HashMap采用这种方式解决Hash冲突。
3.再Hash法，当通过某个Hash函数计算的Key存在冲突时，再另外使用一个Hash方法对Key进行计算，一直运算至不再发生冲突，计算时间增加，性能影响较大。
4.建立公共溢出区，将Hash表分为基本表和溢出表，凡是存在冲突的元素，一律放入溢出表中。

3.谈谈对HashMap扩容机制的理解?

1.当hashMap中的元素数目size到达扩容阈值，也就threshold ，则会动态进行2倍扩容，其中threshold 是负载因子loadFactor 和容量Capacity的乘积，默认负载因子是0.75，容量是16。由于动态扩容的存在，实际开发中，最好初始化集合的大小，避免频繁扩容带来性能上的消耗；
负载因子设计在0~1之间，这个越大，空间利用率越高，同时hash冲突的概率也越大，反之，这个越小，空间利用率越低，hash冲突概率越低。0.75值的选取，链表长度达到8的概率几乎为0，综合考虑了hashMap空间利用率和hash冲突的影响，做到了空间和时间成本的平衡。

4.HashMap为什么会发生死循环?

1.这个只会发生JDK1.7中，JDK1.8，官方彻底解决了这个问题。
2.JDK1.7采用头插法插入元素，扩容后的新Map采用尾插法插入元素，当多个线程并发发生扩容时候，会导致新Map上的链表节点倒序排列，此时其他线程节点引用关系仍然是顺序排列，此时链表起始节点和下一个节点就会发生互相引用，因此发生死循环。在JDK1.8中，HashMap插入节点也改为尾插入，彻底解决这个问题。
3.避免HashMap发生死循环的方法如下：
(1) 使用ConcurrentHashMap替代HashMap ，推荐，简单高效
(2) 使用线程安全的HashTable替代，性能低，不推荐
(3) 在执行插入前手动加入锁机制，比如synchronized/lock锁

5.HashMap和TreeMap的区别?

1.数据结构：HashMap是基于数据+链表实现，TreeMap是基于红黑树实现
2.效率：HashMap效率更高，O(1)，TreeMap效率O(logN)
3.线程安全：都是线程不安全的，如要保持线程安全和保证顺序，可以使用Collections.synchronizedMap()方法将其转为线程安全的Map。
4.HashMap无序，TreeMap基于Key排序或者自定义排序。

6.为什么ConcurrentHashMap的Key不为null？

直接原因：JDK ConcurrentHashMap源码设计中设定Key和Value不能为null，否则抛出空指针异常。
本质原因：ConcurrentHashMap大部分应用于多线程场景下，Key或者是Value为null，无法判断是Key本身不存在还是Key的值就是null,容易发生歧义，增加心智负担。

7.ConcurrentHashMap的底层原理及如何保证线程安全的?

1.ConcurrentHashMap本质就是线程安全版的HashMap，底层基于数组+链表(jdk1.8采用红黑树优化查询效率),ConcurrentHashMap在JDK1.8之后对锁进行了优化，抛弃了JDK1.7分段锁Segment的设计，进一步缩小锁粒度，只对桶的头结点进行加锁，提升并发场景下对象操作性能，JDK1.7采用ReentrantLock锁来保证线程安全，JDK1.8采用CAS+volatile+synchronized。相比之下，性能得到进一步提升。
2.除此之外，ConcurrentHashMap引入了多线程并发扩容机制，即每个线程负责一个分片的数据迁移，从而提升扩容中数据迁移的效率。
3.对获取总的元素个数的size()方法进行了优化，如果竞争不激烈，直接采用CAS进行原子递增，否则将拆分为一个数组，如果需要增加元素个数则直接从数组中随机选择一个，再通过CAS进行原子递增，核心思想引入一个数组来降低CAS竞争，提升并发更新的速度。