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Java集合

在Java开发中，集合框架是面试和实际开发中非常重要的内容。以下是一些常见的Java集合八股文问题和场景题，以及详细答案和示例代码。

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1. Java集合框架的结构是什么？

答案：
Java集合框架主要分为三大接口：Collection、Map和Queue。

• Collection：是集合的顶级接口，它又分为List和Set。
  • List：有序集合，允许重复元素，如ArrayList、LinkedList和Vector。
  • Set：无序集合，不允许重复元素，如HashSet、LinkedHashSet和TreeSet。
• Map：键值对集合，不允许键重复，但值可以重复，如HashMap、TreeMap和LinkedHashMap。
• Queue：队列接口，用于实现先进先出（FIFO）的集合，如LinkedList和PriorityQueue。

示例代码：

import java.util.*;public class CollectionFramework {public static void main(String[] args) {// ListList<String> list = new ArrayList<>();list.add("Java");list.add("Python");System.out.println("List: " + list);// SetSet<String> set = new HashSet<>();set.add("Java");set.add("Python");System.out.println("Set: " + set);// MapMap<String, Integer> map = new HashMap<>();map.put("Java", 1);map.put("Python", 2);System.out.println("Map: " + map);// QueueQueue<String> queue = new LinkedList<>();queue.add("Java");queue.add("Python");System.out.println("Queue: " + queue);}
}

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2. ArrayList和LinkedList的区别是什么？

答案：

• 存储结构：
  • ArrayList基于动态数组实现，支持快速随机访问，但插入和删除效率较低。
  • LinkedList基于双向链表实现，插入和删除效率高，但不支持快速随机访问。
• 性能差异：
  • ArrayList适合频繁读取，LinkedList适合频繁插入和删除。
• 内存占用：
  • LinkedList每个节点需要额外存储前后指针，内存占用较大。

示例代码：

import java.util.*;public class ArrayListVsLinkedList {public static void main(String[] args) {// ArrayListList<String> arrayList = new ArrayList<>();arrayList.add("Java");arrayList.add("Python");System.out.println("ArrayList: " + arrayList.get(0)); // 快速随机访问// LinkedListList<String> linkedList = new LinkedList<>();linkedList.add("Java");linkedList.add("Python");linkedList.add(0, "C++"); // 插入操作System.out.println("LinkedList: " + linkedList);}
}

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3. HashMap的底层实现原理是什么？

答案：
HashMap基于哈希表实现，主要由两部分组成：数组和链表（或红黑树）。

• 哈希冲突：当两个键的哈希值相同或哈希值对数组取模后相同，会发生冲突。
• 解决冲突：
  • JDK 1.7及之前：链表法，将冲突的元素存储在链表中。
  • JDK 1.8及之后：链表+红黑树，当链表长度超过8时，链表会转换为红黑树，以优化查找效率。
• 扩容机制：当负载因子（size / capacity）达到阈值（默认0.75）时，数组会扩容为原来的两倍。

示例代码：

import java.util.*;public class HashMapExample {public static void main(String[] args) {Map<String, Integer> map = new HashMap<>();map.put("Java", 1);map.put("Python", 2);map.put("Java", 3); // 键重复，值覆盖System.out.println("HashMap: " + map);// 遍历for (Map.Entry<String, Integer> entry : map.entrySet()) {System.out.println(entry.getKey() + ": " + entry.getValue());}}
}

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4. 如何保证线程安全？HashMap、ArrayList和Vector的区别是什么？

答案：

• 线程安全：
  • HashMap和ArrayList不是线程安全的，需要手动同步。
  • Vector是线程安全的，但性能较差，因为它的每个方法都加了synchronized锁。
• 区别：
  • HashMap和ArrayList：非线程安全，性能高。
  • Vector：线程安全，性能低。
• 线程安全的替代品：
  • 使用Collections.synchronizedMap()或ConcurrentHashMap替代HashMap。
  • 使用CopyOnWriteArrayList替代ArrayList。

示例代码：

import java.util.*;
import java.util.concurrent.CopyOnWriteArrayList;
import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;public class ThreadSafeCollections {public static void main(String[] args) {// 线程安全的MapMap<String, Integer> map = new ConcurrentHashMap<>();map.put("Java", 1);// 线程安全的ListList<String> list = new CopyOnWriteArrayList<>();list.add("Java");System.out.println("Thread-safe Map: " + map);System.out.println("Thread-safe List: " + list);}
}

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5. 如何实现一个线程安全的单例集合？

答案：
可以通过Collections.synchronizedList()或Collections.synchronizedMap()实现线程安全的集合。
还可以使用CopyOnWriteArrayList或ConcurrentHashMap。

示例代码：

import java.util.*;
import java.util.concurrent.CopyOnWriteArrayList;public class SingletonCollection {private static SingletonCollection instance;private List<String> list;private SingletonCollection() {list = new CopyOnWriteArrayList<>();}public static SingletonCollection getInstance() {if (instance == null) {synchronized (SingletonCollection.class) {if (instance == null) {instance = new SingletonCollection();}}}return instance;}public void addElement(String element) {list.add(element);}public List<String> getElements() {return list;}public static void main(String[] args) {SingletonCollection singleton = SingletonCollection.getInstance();singleton.addElement("Java");System.out.println("Elements: " + singleton.getElements());}
}

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6. 如何实现一个自定义的排序集合？

答案：
可以通过实现Comparable接口或使用Comparator接口对集合进行排序。

示例代码：

import java.util.*;class Person implements Comparable<Person> {String name;int age;Person(String name, int age) {this.name = name;this.age = age;}@Overridepublic int compareTo(Person other) {return Integer.compare(this.age, other.age); // 按年龄升序排序}@Overridepublic String toString() {return name + ": " + age;}
}public class CustomSort {public static void main(String[] args) {List<Person> list = new ArrayList<>();list.add(new Person("Alice", 25));list.add(new Person("Bob", 30));list.add(new Person("Charlie", 20));Collections.sort(list); // 使用Comparable接口排序System.out.println("Sorted by age: " + list);// 使用Comparator接口排序list.sort(Comparator.comparingInt(p -> p.age));System.out.println("Sorted by age using Comparator: " + list);}
}

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7. 如何实现一个去重的集合？

答案：
可以使用Set接口实现去重，如HashSet或LinkedHashSet。

示例代码：

import java.util.*;public class UniqueCollection {public static void main(String[] args) {List<String> list = new ArrayList<>();list.add("Java");list.add("Python");list.add("Java");list.add("C++");Set<String> set = new HashSet<>(list);System.out.println("Unique elements: " + set);}
}

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8. 如何实现一个缓存集合？

答案：
可以使用LinkedHashMap实现一个简单的LRU（最近最少使用）缓存。

示例代码：

import java.util.*;class LRUCache<K, V> extends LinkedHashMap<K, V> {private final int capacity;public LRUCache(int capacity