面试题–java集合

容器可以管理对象的生命周期、对象与对象之间的依赖关系,您可以使用一个配置文件(通常是XML),在上面定义好对象的名称、如何产生(Prototype 方式或Singleton 方式)、哪个对象产生之后必须设定成为某个对象的属性等,在启动容器之后,所有的对象都可以直接取用,不用编写任何一行程序代码来产生对象,或是建立对象与对象之间的依赖关系。
容器是一个Java 所编写的程序,原先必须自行编写程序以管理对象关系,现在容器都会自动帮您做好。

面试题--java集合

集合类存放于Java.util 包中,主要有 3 种:set(集)、list(列表包含Queue)和 map(映射)。

1.Collection

  • Collection 是集合 List、Set、Queue 的最基本的接口。
  • Collection是最基本的集合接口,一个Collection代表一组Object,即Collection的元素(Elements)。一些Collection允许相同的元素而另一些不行,一些能排序而另一些不行。Java SDK不提供直接继承自Collection的类,Java SDK提供的类都是继承自Collection的“子接口”,如List和Set。
  • 所有实现Collection接口的类都必须提供两个标准的构造函数:无参数的构造函数用于创建一个空的Collection;有一个Collection参数的构造函数用于创建一个新的Collection,这个新的Collection与传入的Collection有相同的元素。后一个构造函数允许用户复制一个Collection。
  • (1)List:有序,可以存放重复的内容
  • (2)Set:无序,不能存放重复的内容,所以的重复内容靠hashCode()和equals()两个方法区分
  • (3)Queue:队列接口
  • (4)SortedSet:可以对集合中的数据进行排序

Collection是集合框架中的一个顶层接口,它里面定义了单列集合的共性方法。

它有两个常用的子接口:

  • List:对元素都有定义索引。有序的。可以重复元素。
  • Set:不可以重复元素。无序。

Collections是集合框架中的一个工具类。该类中的方法都是静态的。提供的方法中有可以对list集合进行排序,二分查找等方法。通常常用的集合都是线程安全的。因为要提高效率。如果多线程操作这些集合时,可以通过该工具类中的同步方法,将线程不安全的集合,转换成安全的。

2.Iterator:

  • 迭代器,可以通过迭代器遍历集合中的数据
  • (迭代器接口)用于遍历集合中元素的接口,主要包含三种方法:
boolean hasNext()
    E next()
    void remove()
复制代码
  • 它的一个子接口ListIterator在它的基础上又添加了三种方法:
void add()
    E previous()
    boolean hasPrevious()
复制代码

Iterator和Iterable的区别:

  • 1). Iterator是迭代器接口,而Iterable是为了只要实现该接口就可以使用foreach进行迭代。
  • 2). Iterable中封装了Iterator接口,只要实现了Iterable接口的类,就可以使用Iterator迭代器了。
  • 3). 集合Collection、List、Set都是Iterable的实现类,所以他们及其他们的子类都可以使用foreach进行迭代。
  • 4). Iterator中核心的方法next()、hasnext()、remove()都是依赖当前位置,如果这些集合直接实现Iterator,则必须包括当前迭代位置的指针。当集合在方法间进行传递的时候,由于当前位置不可知,所以next()之后的值,也不可知。而实现Iterable则不然,每次调用都返回一个从头开始的迭代器,各个迭代器之间互不影响。

3.Map:是映射表的基础

Map是一种把键对象和值对象进行关联的容器,而一个值对象又可以是一个Map,依次类推,这样就可形成一个多级映射。对于键对象来说,像Set一样,一个Map容器中的键对象不允许重复,这是为了保持查找结果的一致性;如果有两个键对象一样,那你想得到那个键对象所对应的值对象时就有问题了,可能你得到的并不是你想的那个值对象,结果会造成混乱,所以键的唯一性很重要,也是符合集合的性质的。当然在使用过程中,某个键所对应的值对象可能会发生变化,这时会按照最后一次修改的值对象与键对应。对于值对象则没有唯一性的要求。你可以将任意多个键都映射到一个值对象上,这不会发生任何问题(不过对你的使用却可能会造成不便,你不知道你得到的到底是那一个键所对应的值对象)。

请注意,Map没有继承Collection接口,Map提供keyvalue的映射。一个Map中不能包含相同的key,每个key只能映射一个value。Map接口提供3种集合的视图,Map的内容可以被当作一组key集合,一组value集合,或者一组key-value映射。

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List:

Java 的 List 是非常常用的数据类型。 List 是有序的Collection 。Java List 一共三个实现类: 分别是ArrayList、Vector和LinkedList

  1. ArrayList(数组) ArrayList 是最常用的 List 实现类,内部是通过 数组 实现的,它允许对元素进行快速随机访问。数组的 缺点是每个元素之间不能有间隔 ,当数组大小不满足时需要增加存储能力,就要将已经有数组的数据复制到新的存储空间中。当从 ArrayList 的中间位置插入或者删除元素时,需要对数组进行复制、移动、代价比较高。因此,它适合 随机查找和遍历,不适合插入和删除
  2. Vector(数组实现、线程同步 Vector 与ArrayList 一样,也是通过 数组 实现的,不同的是它支持线程的同步,即某一时刻只有一个线程能够写 Vector,避免多线程同时写而引起的不一致性,但实现同步需要很高的花费,因此,访问它比访问ArrayList 慢。
  3. . LinkList(链表) LinkedList 是用链表结构存储数据的,很适合数据的动态插入和删除,随机访问和遍历速度比较慢。另外,他还提供了 List 接口中没有定义的方法,专门用于操作表头和表尾元素,可以当作堆栈、队列和双向队列使用。

Set

Set 注重独一无二的性质,该体系集合用于存储无序(存入和取出的顺序不一定相同)元素,值不能重复。对象的相等性本质是对象 hashCode 值(java 是依据对象的 内存地址 计算出的此序号)判断的,如果想要让两个不同的对象视为相等的,就必须覆盖 Object 的 hashCode 方法和 equals 方法

  1. HashSet(Hash 表)

    哈希表边存放的是哈希值。HashSet 存储元素的顺序并不是按照存入时的顺序(和 List 显然不同) 而是按照哈希值来存的所以取数据也是按照哈希值取得。元素的哈希值是通过元素的hashcode 方法来获取的, HashSet 首先判断两个元素的哈希值,如果哈希值一样,接着会比较equals 方法, 如果 equls 结果为 true ,HashSet 就视为同一个元素。如果 equals 为 false 就不是同一个元素。

    哈希值相同 equals 为 false 的元素是怎么存储呢,就是在同样的哈希值下顺延(可以认为哈希值相同的元素放在一个哈希桶中)。也就是哈希一样的存一列。如图 1 表示 hashCode 值不相同的情况;图 2 表示 hashCode 值相同,但 equals 不相同的情况。

    HashSet 通过 hashCode 值来确定元素在内存中的位置。一个 hashCode 位置上可以存放多个元素。

  2. TreeSet(二叉树)

    TreeSet()是使用二叉树的原理对新 add()的对象按照指定的顺序排序(升序、降序),每增加一个对象都会进行排序,将对象插入的二叉树指定的位置。        Integer 和 String 对象都可以进行默认的 TreeSet 排序,而自定义类的对象是不可以的,自己定义的类必须实现Comparable 接口,并且覆写相应的 compareTo()函数,才可以正常使用。

    在覆写 compare()函数时,要返回相应的值才能使 TreeSet 按照一定的规则来排序。

    比较此对象与指定对象的顺序。如果该对象小于、等于或大于指定对象,则分别返回负整数、零或正整数。

  3. LinkHashSet(HashSet+LinkedHashMap

    对于 LinkedHashSet 而言, 它继承与 HashSet 、又基于 LinkedHashMap 来实现的。LinkedHashSet 底层使用 LinkedHashMap 来保存所有元素,它继承与 HashSet,其所有的方法操作上又与HashSet 相同,因此 LinkedHashSet 的实现上非常简单,只提供了四个构造方法,并通过传递一个标识参数,调用父类的构造器,底层构造一个 LinkedHashMap 来实现,在相关操作上与父类HashSet 的操作相同,直接调用父类 HashSet 的方法即可。

Map

  1. HashMap(数组+链表+红黑树) 非线程安全

    HashMap 根据键的hashCode 值存储数据,大多数情况下可以直接定位到它的值,因而具有很快的访问速度,但遍历顺序却是不确定的。 HashMap 最多只允许一条记录的键为 null,允许多条记录的值为 null。

    HashMap 非线程安全,即任一时刻可以有多个线程同时写 HashMap,可能会导致数据的不一致。如果需要满足线程安全,可以用 Collections 的 synchronizedMap 方法使HashMap 具有线程安全的能力,或者使用 ConcurrentHashMap。我们用下面这张图来介绍HashMap 的结构。

java7的实现:

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HashMap 里面是一个数组,然后数组中每个元素是一个单向链表。上图中,每个绿色的实体是嵌套类 Entry 的实例,Entry 包含四个属性:key, value, hash 值和用于单向链表的 next。

  • capacity:当前数组容量,始终保持 2^n,可以扩容,扩容后数组大小为当前的 2 倍。
  • loadFactor:负载因子,默认为 0.75。
  • 默认大小为16。
  • threshold:扩容的阈值,等于 capacity * loadFactor (当数组长度达到12(16*0.75)时进行扩容)

JAVA8 实现

Java8 对 HashMap 进行了一些修改,最大的不同就是利用了红黑树,所以其由 数组+链表+红黑树组成。

根据 Java7 HashMap 的介绍,我们知道,查找的时候,根据 hash 值我们能够快速定位到数组的具体下标,但是之后的话,需要顺着链表一个个比较下去才能找到我们需要的,时间复杂度取决 于链表的长度,为 O(n)。为了降低这部分的开销,在 Java8 中,当链表中的元素超过了8个以后, 会将链表转换为红黑树,在这些位置进行查找的时候可以降低时间复杂度为 O(logN)。

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HashMap是线程不安全的,其主要体现:

  • 在jdk1.7中,在多线程环境下,扩容时会造成环形链或数据丢失。

  • 在jdk1.8中,在多线程环境下,会发生数据覆盖的情况。

开发中,我们经常使用 HashMap 容器来存储 K-V 键值对,但是在并发多线程的情况下,HashMap 容器又是不安全的,因为在 put 元素的时候,如果触发扩容操作,也就是 rehash ,就会将原数组的内容重新 hash 到新的扩容数组中,但是在扩容这个过程中,其他线程也在进行 put 操作,如果这两个元素 hash 值相同,可能出现同时在同一数组下用链表表示,造成闭环,导致在get时会出现死循环,所以HashMap是线程不安全的。

  1. ConcurrentHashMap

    Segment 段

    ConcurrentHashMap 和 HashMap 思路是差不多的,但是因为它支持并发操作,所以要复杂一些。整个 ConcurrentHashMap 由一个个 Segment 组成,Segment 代表”部分“或”一段“的意思,所以很多地方都会将其描述为分段。注意,行文中,我很多地方用了“槽”来代表一个segment。 线程安全 (Segment 继承 ReentrantLock 加锁)

    简单理解就是,ConcurrentHashMap 是一个 Segment 数组,Segment 通过继承ReentrantLock 来进行加锁,所以每次需要加锁的操作锁住的是一个 segment,这样只要保证每个 Segment 是线程安全的,也就实现了全局的线程安全。

    面试题--java集合

    并行度(默认 16)

    concurrencyLevel:并行级别、并发数、Segment 数,怎么翻译不重要,理解它。默认是 16,也就是说 ConcurrentHashMap 有 16 个 Segments,所以理论上,这个时候,最多可以同时支持 16 个线程并发写,只要它们的操作分别分布在不同的 Segment 上。这个值可以在初始化的时候设置为其他值,但是一旦初始化以后,它是不可以扩容的。再具体到每个 Segment 内部,其实每个 Segment 很像之前介绍的 HashMap,不过它要保证线程安全,所以处理起来要麻烦些。

Java8 实现 (引入了红黑树)

Java8 对 ConcurrentHashMap 进行了比较大的改动,Java8 也引入了红黑树。

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1.8 中的 ConcurrentHashMap 放弃了 JDK1.7 中的分段技术,而是采用了 CAS 机制 + synchronized 来保证并发安全性,但是在 ConcurrentHashMap 实现里保留了 Segment 定义,这仅仅是为了保证序列化时的兼容性而已,并没有任何结构上的用处。

  1. HashTable(线程安全) 效率低

Hashtable 是遗留类,很多映射的常用功能与 HashMap 类似,不同的是它承自 Dictionary 类, 并且是线程安全的,任一时间只有一个线程能写 Hashtable,并发性不如 ConcurrentHashMap, 因为 ConcurrentHashMap 引入了分段锁。Hashtable 不建议在新代码中使用,不需要线程安全的场合可以用HashMap 替换,需要线程安全的场合可以用ConcurrentHashMap 替换。

Hashtable 是在 put、get、size 等各种方法加上“
synchronized ” 锁来保证安全,这就导致了所有并发操作都要竞争同一把锁,一个线程在进行同步操作时,其他线程只能等待,大大降低了并发操作的效率。

  1. TreeMap(可排序)

TreeMap 实现 SortedMap 接口,能够把它保存的记录根据键排序,默认是按键值的升序排序, 也可以指定排序的比较器,当用 Iterator 遍历 TreeMap 时,得到的记录是排过序的。

如果使用排序的映射,建议使用 TreeMap。

在使用 TreeMap 时,key 必须实现 Comparable 接口或者在构造 TreeMap 传入自定义的Comparator,否则会在运行时抛出 java.lang.ClassCastException 类型的异常。

  1. LinkHashMap(记录插入顺序)

LinkedHashMap 是 HashMap 的一个子类,保存了记录的插入顺序, 在用 Iterator 遍历LinkedHashMap 时,先得到的记录肯定是先插入的,也可以在构造时带参数,按照访问次序排序。

============== END ==============

原文 

https://juejin.im/post/5e80621df265da47b554da01

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