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Java 集合框架是面试中的基础且高频考点，问题主要围绕 核心接口、实现类特性、底层数据结构、线程安全、性能对比 等展开。以下是常见问题及解析：

一、集合框架整体架构

1. Java 集合框架的整体结构是什么？主要接口有哪些？

• 集合框架分为 Collection（存储单元素）和 Map（存储键值对）两大体系：
  • Collection：
    • List（有序、可重复）：ArrayList、LinkedList、Vector。
    • Set（无序、不可重复）：HashSet、LinkedHashSet、TreeSet。
    • Queue（队列，FIFO）：LinkedList（实现了 Queue）、PriorityQueue。
  • Map（键值对映射）：HashMap、LinkedHashMap、TreeMap、Hashtable、ConcurrentHashMap。
• 核心接口关系：Collection 和 Map 是顶层接口，无继承关系；List、Set 继承 Collection；Queue 继承 Collection 并扩展队列操作。

2. Collection 和 Collections 的区别？

• Collection：接口，定义了集合的基本操作（如 add()、remove()、iterator()），是 List、Set 等的父接口。
• Collections：工具类，提供静态方法操作集合（如排序 sort()、线程安全包装 synchronizedList()、求最大值 max()）。

二、List 接口

1. ArrayList 和 LinkedList 的区别？

   维度	ArrayList	LinkedList
   底层结构	动态数组（连续内存）	双向链表（非连续内存）
   随机访问	快（get(index) 时间 O(1)）	慢（需遍历链表，O(n)）
   增删操作	中间增删慢（需移动元素，O(n)）	中间增删快（只需修改指针，O(1)）
   内存占用	少（仅存元素）	多（需存储前后指针）
   适用场景	读多写少、随机访问频繁	写多（中间增删）、队列/栈操作

2. ArrayList 的扩容机制？

• 初始容量：默认 10（JDK 1.8 后延迟初始化，首次 add 时才分配容量）。
• 扩容触发：当元素数量（size）超过当前容量时，触发扩容。
• 扩容规则：
  • 新容量 = 旧容量 × 1.5（如 10 → 15 → 22…）。
  • 若扩容后仍不足（如添加大量元素），直接扩容到所需容量。
• 扩容过程：创建新数组，复制旧数组元素（Arrays.copyOf()），耗时且消耗内存，建议初始化时指定容量（如 new ArrayList(1000)）。

3. Vector 和 ArrayList 的区别？

• 线程安全：Vector 所有方法加 synchronized（线程安全），ArrayList 非线程安全（性能更高）。
• 扩容机制：Vector 默认扩容为原容量的 2 倍（可指定增长因子），ArrayList 为 1.5 倍。
• 替代方案：多线程场景用 CopyOnWriteArrayList（比 Vector 高效），单线程用 ArrayList。

4. CopyOnWriteArrayList 的原理？适合什么场景？

• 原理：写时复制，修改元素时复制一份新数组，修改完成后替换旧数组，读操作无锁（直接读旧数组）。
• 优点：读操作高效（无锁），线程安全。
• 缺点：内存占用高（双数组），写操作耗时（复制数组），不保证实时性（读可能看到旧数据）。
• 适用场景：读多写少（如配置缓存、黑名单）。

三、Set 接口

1. HashSet、LinkedHashSet、TreeSet 的区别？

   特性	HashSet	LinkedHashSet	TreeSet
   底层结构	哈希表（HashMap 实现）	哈希表 + 双向链表	红黑树（自平衡二叉查找树）
   有序性	无序	插入顺序（链表维护）	自然排序或定制排序（Comparator）
   去重依据	hashCode() + equals()	同 HashSet	compareTo() 或 compare()
   性能	读写 O(1)	读写 O(1)（略低于 HashSet）	读写 O(logn)

2. HashSet 如何保证元素不重复？

• HashSet 底层依赖 HashMap 实现（元素存在 HashMap 的 key 中，value 为固定对象）。
• 去重逻辑：添加元素时，先计算 hashCode() 找到哈希桶，再通过 equals() 比较桶内元素，若两者都相同则视为重复，拒绝添加。
• 关键：自定义对象需重写 hashCode() 和 equals()，且保证“相等的对象必须有相等的哈希码”。

3. TreeSet 如何实现排序？

• 两种排序方式：
  • 自然排序：元素实现 Comparable 接口，重写 compareTo() 方法（如 Integer、String 默认排序）。
  • 定制排序：创建 TreeSet 时传入 Comparator 接口实现类（如 new TreeSet<>(Comparator.reverseOrder())）。
• 底层红黑树通过比较结果（compareTo() 或 compare() 的返回值）维护有序性，返回 0 时视为重复元素。

四、Map 接口

1. HashMap 和 Hashtable 的区别？

   特性	HashMap	Hashtable
   线程安全	非线程安全	线程安全（方法加 synchronized）
   存储 null	允许 key 和 value 为 null（key 仅一个 null）	不允许 key 或 value 为 null
   底层结构	JDK 1.8 前：数组 + 链表；1.8 后：数组 + 链表/红黑树	数组 + 链表
   扩容机制	初始容量 16，扩容为 2 倍，负载因子 0.75	初始容量 11，扩容为 2 倍 + 1，负载因子 0.75
   迭代器	快速失败（fail-fast）	安全失败（fail-safe）

2. HashMap 的底层数据结构？JDK 1.8 有哪些优化？

• JDK 1.7：数组（哈希桶） + 链表（解决哈希冲突）。
• JDK 1.8：数组 + 链表/红黑树（当链表长度 ≥ 8 且数组容量 ≥ 64 时，链表转为红黑树；当长度 ≤ 6 时，红黑树退化为链表）。
• 优化点：
  • 红黑树提升查询性能（链表 O(n) → 红黑树 O(logn)）。
  • 取消 Entry 类，改用 Node 类。
  • 扩容时计算新索引的方式简化（e.hash & (newCap - 1) 替代重新计算哈希）。

3. HashMap 的扩容机制？

• 触发条件：当元素数量（size）> 容量 × 负载因子（默认 16 × 0.75 = 12）时，触发扩容。
• 扩容过程：
  1. 新容量 = 旧容量 × 2（保证容量为 2 的幂，便于哈希计算）。
  2. 创建新数组，将旧数组元素重新哈希到新数组（JDK 1.8 优化：通过高位哈希值判断索引是否需要 + 旧容量，避免重新计算哈希）。
  3. 红黑树在扩容时可能拆分为两个链表或红黑树。

4. LinkedHashMap 如何保证插入顺序或访问顺序？

• 底层：哈希表 + 双向链表（继承 HashMap，在 Node 中增加 before 和 after 指针）。
• 顺序控制：
  • 插入顺序：默认模式，链表按元素插入顺序排列。
  • 访问顺序：构造时指定 accessOrder = true，每次 get() 或 put() 操作后，将元素移到链表尾部（最近访问的元素在末尾）。
• 应用：实现 LRU 缓存（通过重写 removeEldestEntry() 方法，移除最久未访问元素）。

5. TreeMap 的底层结构和排序方式？

• 底层：红黑树（根据 key 排序，保证 keySet() 遍历有序）。
• 排序方式：同 TreeSet，支持自然排序（Comparable）和定制排序（Comparator）。
• 适用场景：需要按 key 排序的映射（如排行榜、区间查询）。

6. ConcurrentHashMap 和 Hashtable 的区别？JDK 1.7 和 1.8 的 ConcurrentHashMap 实现有何不同？

• 与 Hashtable 的区别：

  • 线程安全实现：ConcurrentHashMap 用分段锁（1.7）或 CAS + synchronized（1.8），支持并发读写；Hashtable 用全局锁，性能低。
  • 扩展性：ConcurrentHashMap 并发度更高（支持多线程同时操作不同段/桶）。

• JDK 1.7 vs 1.8 实现：

  • 1.7：分段锁（Segment 数组，每个 Segment 是一个小 HashMap，锁只锁定单个 Segment）。
  • 1.8：取消 Segment，直接用数组 + 链表/红黑树，通过 CAS 操作和 synchronized 锁定链表头/红黑树根节点，粒度更细，性能更好。

五、集合共性问题

1. 什么是快速失败（fail-fast）和安全失败（fail-safe）？

• fail-fast：迭代器创建时记录集合的 modCount（修改次数），迭代过程中若集合被修改（如 add/remove），modCount 变化，迭代器抛出 ConcurrentModificationException（如 ArrayList、HashMap 的迭代器）。
• fail-safe：迭代器遍历的是集合的副本，修改原集合不影响迭代，无异常（如 CopyOnWriteArrayList、ConcurrentHashMap），但可能读取到旧数据，且内存开销大。

2. 如何实现集合的线程安全？

• 方案 1：使用线程安全集合（Vector、Hashtable、ConcurrentHashMap、CopyOnWriteArrayList）。
• 方案 2：用 Collections.synchronizedXxx() 包装非线程安全集合（如 Collections.synchronizedList(new ArrayList<>())），底层通过包装类加锁实现。
• 方案 3：手动加锁（synchronized 或 Lock），控制集合的并发访问。

3. ArrayList 和 HashMap 的初始化容量和负载因子？

• ArrayList：默认初始容量 10，无负载因子（扩容仅依赖元素数量）。
• HashMap：默认初始容量 16，负载因子 0.75（容量 × 负载因子 = 扩容阈值）。
• 负载因子作用：平衡空间和时间效率，0.75 表示允许 75% 的哈希桶被使用，减少哈希冲突。

4. 为什么 HashMap 的容量必须是 2 的幂？

• 为了通过 位运算 高效计算元素在数组中的索引：index = hash & (capacity - 1)。
• 当容量是 2 的幂时，capacity - 1 的二进制为全 1（如 16-1=15 → 1111），hash & (capacity - 1) 等价于 hash % capacity，但位运算比取模更快。

总结

集合面试重点考察 底层数据结构（数组/链表/红黑树）、核心实现类的特性对比（如 ArrayList vs LinkedList）、线程安全方案 及 性能优化点（如 HashMap 扩容、红黑树转换）。回答时需结合具体场景（如读多写少选 ArrayList，并发场景选 ConcurrentHashMap），体现对集合设计思想的理解。