Java——集合

目录

1.Java中的集合类

2.List

2.1ArrayList和LinkedList有什么区别？

ArrayList和LinkedList的用途的不同？

ArrayList和LinkedList是否支持随机访问？

ArrayList和LinkedList内存占用有何不同？

链表和数组有什么区别？

2.2ArrayList的扩容机制了解吗？

2.3快速失败fail-fast了解吗？

2.3什么是安全失败（fail-safe）呢？

2.4有哪几种实现ArrayList线程安全的方法？

2.5ArrayList和Vector的区别？

2.6CopyOnWriteArrayList了解多少？

3.Map

3.1可以说一下HashMap的底层数据结构吗？

3.2你对红黑树了解多少？

为什么不用二叉树？

为什么不用平衡二叉树？

为什么用红黑树？

红黑树是怎么保持平衡的？

3.3HashMap的put流程知道吗？

只重写元素的equals方法没有重写hashCode,put的时候会发生什么？

3.4HashMap怎么查找元素的呢？

13.HashMap的hash函数是怎么设计的？

14.为什么hash函数能减少哈希冲突？

15.为什么HashMap的容量是2的幂次方？

16.如果初始化HashMap，传一个17的容量，它会怎么处理？

18.讲解哈希冲突有哪些方法？

20.HashMap扩容发生在什么时候呢？

21.HashMap的扩容机制了解吗？

22.JDK8对HashMap做了哪些优化呢？

23.你能自己设计实现一个HashMap吗？

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1.Java中的集合类

Java中的集合类主要分为两大类：Collection和Map接口。前者是存储对象的集合类，后者存储的是键值对（key-value)。

Collection接口又分为List，Set和Queue接口。每个接口有其具体实现类。以下主要的集合类：

PS：可尝试结合类图，对常见的实现类关系重点记忆。

2.List

2.1ArrayList和LinkedList有什么区别？

ArrayList是基于数组实现的，LinkedList是基于链表实现的。

ArrayList和LinkedList的用途的不同？

ArrayList和LinkedList是否支持随机访问？

ArrayList和LinkedList内存占用有何不同？

链表和数组有什么区别？

2.2ArrayList的扩容机制了解吗？

超过当前数组，1.5倍

2.3快速失败fail-fast了解吗？

fail——fast是Java集合的一种错误检测机制。

在用迭代器遍历集合对象时，如果线程A遍历过程中，线程B对集合对象的内容进行了修改，就会抛出Concurrent Modification Exception。

迭代器在遍历时直接访问集合中的内容。

并且在遍历过程中使用一个 modCount 变量。集合在被遍历期间如果内容发生变化，就会改变modCount的值。每当迭代器使用 hashNext()/next()遍历下一个元素之前，都会检测 modCount 变量是否为 expectedmodCount 值，是的话就返回遍历；否则抛出异常，终止遍历。

异常的抛出条件是检测到 modCount！=expectedmodCount 这个条件。如果集合发生变化时修改 modCount 值刚好又设置为了 expectedmodCount 值，则异常不会抛出。因此，不能依赖于这个异常是否抛出而进行并发操作的编程，这个异常只建议用于检测并发修改的 bug。

java.util 包下的集合类都是快速失败的，不能在多线程下发生并发修改（迭代过程中被修改），比如 ArrayList 类。

2.3什么是安全失败（fail-safe）呢？

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。

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。

场景：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，比如 CopyOnWriteArrayList 类。

2.4有哪几种实现ArrayList线程安全的方法？

在 Java 中，RandomAccess是一个标记接口（Marker Interface），它本身不包含任何方法，仅用于标识实现该接口的集合类支持快速随机访问操作。

常用的有两种

可以使用 Collections.synchronizedList() 方法，它可以返回一个线程安全的 List。
java

SynchronizedList list = Collections.synchronizedList(new ArrayList());
内部是通过 synchronized 关键字

加锁来实现的。
也可以直接使用 CopyOnWriteArrayList

，它是线程安全的 ArrayList，遵循写时复制的原则，每当对列表进行修改时，都会创建一个新副本，这个新副本会替换旧的列表，而对旧列表的所有读取操作仍然在原有的列表上进行。
java

CopyOnWriteArrayList list = new CopyOnWriteArrayList();
通俗的讲，CopyOnWrite 就是当我们往一个容器添加元素的时候，不直接往容器中添加，而是先复制出一个新的容器，然后在新的容器里添加元素，添加完之后，再将原容器的引用指向新的容器。多个线程在读的时候，不需要加锁，因为当前容器不会添加任何元素。这样就实现了线程安全。

2.5ArrayList和Vector的区别？

2.6CopyOnWriteArrayList了解多少？

3.Map

3.1可以说一下HashMap的底层数据结构吗？

JDK8中HashMap的数据结构是数组+链表+红黑树。

数组用来存储键值对，每个键值对可以通过索引直接拿到，索引是通过对键的哈希值进行进一步的hash（）处理得到的。

当多个键进过哈希处理后得到相同的索引时，需要通过链表来讲解哈希冲突——将具有相同索引的键值对通过链表存储起来。

不过链表过长时，查询效率会比较低，于是当链表的长度超过8时（且数组的长度大于64），链表就会转换为红黑树。红黑树的查询效率是O(logn)，比链表的 O(n) 要快。

hash() 方法的目标是尽量减少哈希冲突，保证元素能够均匀地分布在数组的每个位置上。

static final int hash(Object key) {int h;return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
}

如果键的哈希值已经在数组中存在，其对应的值将被新值覆盖。

HashMap 的初始容量是 16，随着元素的不断添加，HashMap 就需要进行扩容，阈值是capacity * loadFactor，capacity 为容量，loadFactor 为负载因子，默认为 0.75。

扩容后的数组大小是原来的 2 倍，然后把原来的元素重新计算哈希值，放到新的数组中。

3.2你对红黑树了解多少？

为什么不用二叉树？

为什么不用平衡二叉树？

为什么用红黑树？

链表的查找时间复杂度n，红黑树是一种折中方案，查找，插入，删除的时间复杂度都是O(log n)

红黑树是怎么保持平衡的？

3.3HashMap的put流程知道吗？

在Java中，HashMap的put方法用于将键值对存储在哈希表中。以下是HashMap的put方法的详细流程：

1.计算hash值：

首先调用key的hashCode（）方法获取key的hash码，然后通过HashMap内部的hash方法对哈希码进行扰动计算，以减少哈希冲突。

2.确定桶的位置：

根据计算得到的哈希值，通过（n - 1)&hash（n为哈希表的容量，是2的幂次方）来确定该键值对应该存储在哪个桶（数组的哪个位置）中。例如，如果哈希表容量n = 16，那么(16 - 1) & hash相当于hash % 16，但按位与操作效率更高。

3.检查桶是否为空：

如果桶为空，直接在该位置创建一个新的节点（链表的头节点）并插入键值对。

if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)tab[i] = newNode(hash, key, value, null);

4.处理桶不为空的情况：

• 检查是否为相同节点：如果桶不为空，首先检查桶的第一个节点（链表头节点）的键是否与要插入的键相同。如果相同，则直接更新值。

• if (p.hash == hash &&((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))e = p;

• 处理链表或红黑树：如果桶中的节点不是要找的节点，且该桶是链表结构，则遍历链表查找是否有相同键的节点。如果找到，则更新值；如果遍历链表未找到，则在链表末尾插入新节点。

• 如果链表长度大于等于TREEIFY_THRESHOLD（默认值为 8）且哈希表容量大于等于MIN_TREEIFY_CAPACITY（默认值为 64），链表会转换为红黑树结构，通过红黑树的插入操作来插入新节点。

5.更新操作：

如果在上诉过程中找到键的节点，则更新该节点的值，并返回旧值。

if (e!= null) { // existing mapping for keyV oldValue = e.value;if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)e.value = value;afterNodeAccess(e);return oldValue;
}

6.增加元素个数并检查扩容：

如果没有找到相同键的节点，说明是新插入的键值对，HashMap的元素个数size增加。然后检查是否需要扩容。如果size大于等于threshold（threshold = loadFactor * capacity，loadFactor默认值为 0.75），则进行扩容操作。扩容会创建一个新的更大的哈希表，并将旧哈希表中的所有键值对重新计算哈希并插入到新哈希表中。

++modCount;
if (++size > threshold)resize();
afterNodeInsertion(evict);
return null;

3.4HashMap怎么查找元素的呢？

通过哈希值定位索引——》定位桶——》检查第一个节点——》遍历链表或红黑树查找——》返回结果。

13.HashMap的hash函数是怎么设计的？

14.为什么hash函数能减少哈希冲突？

15.为什么HashMap的容量是2的幂次方？

HashMap采用2的n次方倍作为容量，主要是为了提高哈希值的分布均匀性和哈希计算的效率。

HashMap通过（n - 1)&hash来计算元素的存储索引位置，这种位运算只有在数组容量是2的n次方时才能确保索引均匀分布。位运算效率高于取模运算，提高哈希计算的速度。

HashMap扩容时，通过容量为2的n次方，扩容时只需要通过简单的位运算判断是否需要迁移，减少重新计算哈希值的开销，提升了rehash的效率。

16.如果初始化HashMap，传一个17的容量，它会怎么处理？

18.讲解哈希冲突有哪些方法？

再hash，开放地址法和拉链法

20.HashMap扩容发生在什么时候呢？

21.HashMap的扩容机制了解吗？

HashMap的扩容是负载因子来决定的，扩容为原来的两倍

rehashing：

jdk1.7之前

jdk1.8之后优化：

16：010000  32：100000

15：001111   31：011111

拿老数组长度判断高位是否是1，

ctrl + F12

属性

内部类

创建一个空参对象只会给负载因子赋值，底层数组没有赋值，添加第一个元素才会创建

源码讲解：

table 哈希表结构中数组的名字

Default_initial_capacity; 数组默认长度16；

DEFAULT_FACTOR; 默认加载因子0.75；

创建对象

添加元素

数组位置为null

数组位置不为null，键不重复挂在下面形成链表或红黑树

数组位置不为null，键重复，元素覆盖

22.JDK8对HashMap做了哪些优化呢？

1.红黑树，优化查询性能，避免链表过长

2.优化扰动函数，

3.优化扩容机制

4.头插法变为尾插法

23.你能自己设计实现一个HashMap吗？

24.HashMap是线程安全的吗？

25.怎么解决HashMap线程不安全的问题呢？

26.CopyOnWriteArrayList和Collections.synchronizedList有什么区别？分别有什么优缺点？