基础篇：Java集合，面试专用

没啥好说的，在座的各位都是靓仔

• List 数组
• Vector 向量
• Stack 栈
• Map 映射字典
• Set 集合
• Queue 队列
• Deque 双向队列

一般队列的通用方法

1.List 数组

• 元素按进入先后有序保存，可重复
• List有两种底层实现，一种是数组，一种是链表，而链表的实现继承了 Collection。数组和集合的区别：
  • 数组大小是固定，集合是可变的
  • 数组的元素可以基本类型也可以是引用类型，而集合只能是引用类型

ArrayList

• ArrayList底层是使用一个可动态扩容的数组，与普通数组的区别就是它是没有固定大小的限制，可以添加或删除元素
• 它的特点就是读速度、更新快，增删慢;内存相邻，根据Index读取的时间复杂度是O(1);可以存储重复元素，但线程不安全
• ArrayList 的扩容机制

1. //ArrayListopenJDK13
2. privatevoidadd(Ee,Object[]elementData,ints){
3. if(s==elementData.length)//放不下了
4. elementData=grow();//扩容
5. elementData[s]=e;
6. size=s+1;
7. }
8. privateObject[]grow(){
9. returngrow(size+1);
10. }
11. privateObject[]grow(intminCapacity){
12. intoldCapacity=elementData.length;
13. if(oldCapacity>0||elementData!=DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA){
14. intnewCapacity=ArraysSupport.newLength(oldCapacity,
15. minCapacity-oldCapacity,//minCapacity-oldCapacity==1
16. oldCapacity>>1);//oldCapacity==1/2oldCapacity
17. returnelementData=Arrays.copyOf(elementData,newCapacity);
18. }else{
19. returnelementData=newObject[Math.max(DEFAULT_CAPACITY,minCapacity)];
20. }
21. }

• 如果当前元素放不下，则扩容至 1.5 倍，且大于等于 1

1. //ArraysSupport.newLength
2. publicstaticintnewLength(intoldLength,intminGrowth,intprefGrowth){
3. //prefGrowth是oldLength的1/2，minGrowth是1。因此newLength=1.5oldLength
4. intnewLength=Math.max(minGrowth,prefGrowth)+oldLength;
5. if(newLength-MAX_ARRAY_LENGTH<=0){//MAX_ARRAY_LENGTH=Integer.MAX_VALUE-8
6. returnnewLength;
7. }
8. returnhugeLength(oldLength,minGrowth);
9. }

LinkedList

• LinkedList的节点并不是存储真实的数据，而是存下数据的引用对象，而且节点之间使用引用相关联
• LinkedList实现了Queue、Deque接口，可作为队列使用;查找慢，增删快，可以存储重复元素，但线程不安全
• 使用 LinkedList 实现LRU

1. publicstaticclassLRU{
2. //默认的缓存大小
3. privateintCAPACITY=0;
4. //引用一个双向链接表
5. privateLinkedListlist;
6. //构造函数
7. publicLRU(intcapacity){
8. this.CAPACITY=capacity;
9. list=newLinkedList();
10. }
11. //添加一个元素
12. publicsynchronizedvoidput(Tobject){
13. if(list!=null&&list.contains(object)){
14. list.remove(object);
15. }
16. removeLeastVisitElement();
17. list.addFirst(object);
18. }
19. //移除最近访问次数最少的元素
20. privatevoidremoveLeastVisitElement(){
21. intsize=list.size();
22. //注意，这儿必须得是CAPACITY-1否则所获的size比原来大1
23. if(size>(CAPACITY-1)){
24. Objectobject=list.removeLast();
25. }
26. }
27. //获取第N个索引下面的元素
28. publicTget(intindex){
29. returnlist.get(index);
30. }
31. }

• LinkedList 的 API

1. publicEgetFirst()//获取第一个元素
2. publicEgetLast()//获取最后一个元素
3. publicEremoveFirst()//移除第一个元素，并返回
4. publicEremoveLast()//移除最后一个元素，并返回
5. publicvoidaddFirst(Ee)//加入头部
6. publicvoidaddLast(Ee)//加入尾部
7. publicvoidadd(Ee)//加入尾部
8. publicbooleancontains(Objecto)//是否包含元素o
9. publicEpeek()//获取头部第一个元素
10. publicEelement()//获取头部第一个元素,不存在则报错
11. publicEpoll()//获取头部第一个元素，并移除
12. publicbooleanoffer(Ee)//调用add(Ee)
13. publicbooleanofferFirst(Ee)//调用addFirst
14. publicbooleanofferLast(Ee)//调用addLast
15. publicvoidpush(Ee)//在头部压入一个元素
16. publicEpop()//弹出第一个元素，并移除。不存在则报错

• ArrayList 和 LinkedList 使用场景
  • 频繁访问列表中的某一个元素，或者需要在列表末尾进行添加和删除元素操作，用ArrayList
  • 频繁的在列表开头、中间、末尾等位置进行添加和删除元素操作，用LinkedList

Iterator 和 fast-fail、fail-safe机制

• Java Iterator(迭代器)不是一个集合，它是一种用于访问集合的方法，可用于迭代 List 和 Set 等集合，主要有hashNext()，next()，remove()三种方法
• fail-fast 是Java集合(Collection)的一种错误机制。当多个线程对同一个集合进行修改结构操作，使用集合的迭代器iterator，会首先检测是否有对集合的并发修改，进而产生ConcurrentModificationException 异常提示
• fail-safe：保证在对任何集合结构的修改操作都基于 《复制-修改》 进行的，即先copy一个新的集合对象，然后对新的集合对象进行修改，最后将新的集合对象替换掉老的集合对象(老的集合对象的地址指向新的集合对象)。java.util.concurrent包下采用的是fail-safe机制。
  • 缺点1-对集合的复制copy会产生大量的对象，造成内存空间的浪费。
  • 缺点2-无法保证集合迭代过程中获取的集合数据是最新的内容

CopyOnWriteArrayList

• CopyOnWriteArrayList 的线程安全：CopyOnWriteArrayList 在写的时候会加锁，为了保证写安全，会在写操作时复制一个新数组来操作，然后覆盖旧的数组;不会影响读的性能

1. publicclassCopyOnWriteArrayList
2. implementsList,RandomAccess,Cloneable,java.io.Serializable{
3. //可重入锁
4. finaltransientReentrantLocklock=newReentrantLock();
5. //数组，仅通过get和set方法操作
6. privatetransientvolatileObject[]array;
7. ....
8. publicbooleanadd(Ee){
9. finalReentrantLocklock=this.lock;
10. lock.lock();
11. try{
12. Object[]elements=getArray();//拿到当前数组
13. intlen=elements.length;//获得长度
14. //拷贝当前数组
15. Object[]newElements=Arrays.copyOf(elements,len+1);
16. newElements[len]=e;
17. setArray(newElements);//调用set方法将新数组设置为当前数组
18. returntrue;
19. }finally{
20. lock.unlock();//解锁
21. }
22. }

• CopyOnWriteArrayList 的缺点
  • CopyOnWrite 在进行写操作的时候，内存里会同时驻扎两个对象的内存，导致内存的浪费
  • CopyOnWrite 容器只能保证数据的最终一致性，不能保证数据的实时一致性。如果你希望写入的的数据，马上能读到，请不要使用CopyOnWrite容器，没有阻塞等待的概念
• CopyOnWriteArrayList 和 Collections.synchronizedList 区别
  • CopyOnWriteArrayList 的写操作性能较差，而多线程的读操作性能较好
  • Collections.synchronizedList的写操作性能比CopyOnWriteArrayList在多线程操作的情况下要好很多，而读操作因为是采用了 synchronized关键字的方式，其读操作性能并不如CopyOnWriteArrayList

线程安全的List

• A:使用 Vector;B:使用 Collections.synchronized() 返回线程安全的 List;C:使用 CopyOnWriteArrayList

List的API示例

1. booleancontains(Objecto)//是否包含o
2. booleanisEmpty();//是否为空
3. intsize();//集合元素
4. Iteratoriterator();//返回迭代器
5. Object[]toArray();//转为Object数组
6. T[]toArray(T[]a);//转为具体类型数组
7. booleanadd(Ee);//加入尾部
8. booleanremove(Objecto);//移除o
9. booleancontainsAll(Collectionc);//是否报考集合c
10. booleanaddAll(Collectionc);//合并c
11. booleanretainAll(Collectionc);//保留只存在集合c的元素
12. voidclear();//清除集合元素
13. voidsort(Comparatorc)//根据Comparator排序
14. Eget(intindex);//根据下标获取元素
15. Eset(intindex,Eelement);//设置第index的元素
16. Eremove(intindex);//移除第index的元素
17. Listof(Ee1.....)//jdk9
18. ListcopyOf(Collectioncoll)//复制

2.Vector(向量)

ArrayList 和 Vector、LinkedList 的区别

• Vector 相当于是 ArrayList 线程安全的翻版
• Vector 继承实现List 特点: 底层数据结构是数组，查询快，线程安全

Vector 的API示例

1. booleansynchronizedcontains(Objecto);
2. booleansynchronizedisEmpty();
3. booleansynchronizedcontainsAll(Collectionc);
4. booleanaddAll(Collectionc);
5. publicsynchronizedbooleanadd(Ee)
6. publicsynchronizedEget(intindex);
7. publicsynchronizedEset(intindex,Eelement);
8. publicsynchronizedEfirstElement()
9. publicsynchronizedvoidremoveElementAt(intindex)
10. publicsynchronizedElastElement()
11. publicsynchronizedvoidsetElementAt(Eobj,intindex)
12. publicsynchronizedEremove(intindex)
13. publicvoidclear()
14. Iteratoriterator();

3.Stack(栈)

• Stack 是 Vector提供的一个子类，用于模拟"栈"这种数据结构(LIFO后进先出)
• 线程安全，允许 null 值

Stack 的API示例

1. publicEpush(Eitem)//推入栈顶
2. publicsynchronizedEpop()//弹出栈顶元素，不存在则报错
3. publicsynchronizedEpeek()//获取栈顶元素，不移除
4. publicbooleanempty()//栈是否为空
5. publicsynchronizedintsearch(Objecto)//搜索元素

4.Map

• Map 用于保存具有映射关系的数据，Map里保存着两种映射的数据：key和value，它们都可以使任何引用类型的数据，但key不能重复。所以通过指定的key就可以取出对应的value
• 请注意!!!Map 没有继承 Collection 接口

TreeMap(1.8JDK)

• 继承 AbstractMap，TreeMap 是基于红黑树实现，可保证在log(n)时间复杂度内完成 containsKey，get，put 和 remove 操作，效率很高。(红黑树的原理这里不展开讲，后面会专门写一篇)
• 另一方面，由于 TreeMap 基于红黑树实现，因此 TreeMap 的键是有序的

HashMap

• HashMap 继承AbstractMap类实现了Map，是一个散列表，它存储的内容是键值对(key-value)映射。HashMap 实现了 Map 接口，根据键的 HashCode 值存储数据，具有很快的访问速度，最多允许一条记录的键为 null，不支持线程同步。HashMap 是无序的，即不会记录插入的顺序
• HashMap如何处理hash冲突，hash冲突的几种解决方法
  • 链地址法-如果存在 hash 碰撞，则创建一链表存储相同的元素
  • 开放定址法容易导致 hash 碰撞，查询慢
  • 线性探查在散列的时候，如果当前计算出的位置已经被存储，那么就顺序的向后查找，知道找到空位置或则是所有位置均不为空失败
  • 二次探查使用一个辅助散列函数，使得后续的探查位置在前一个探查位置上加上一个偏移量，该偏移量以二次方的形式依赖于探查号i。二次探查的散列函数形式为：h(k,i)=(h'(k,i)+c1*i + c2 * i^2) mod m
  • 双重散列使用两个辅助散列函数h1和h2，初始的散列位置是h1(k)，后续的散列位置在此基础上增加一个偏移量h2(k)*i mod m
  • 开放定址法
  • 链地址法
• HashMap 底层实现是数组+链表+红黑树。空参的HashMap初始容量是16，默认加载因子为0.75。取值0.75是因为 0.5 容易浪费空间，取值 1 则需要填满每一个桶，实际情况很难达到，会产生大量的哈希碰撞。因此取中间值
• HashMap 的容量一般是 2 的幂次方，可直接使用“位与”计算 hash 值，相对取模计算 hash 快

Hashtable

• 继承于Dictionary，现在基本已被淘汰
• HashTable的操作几乎和HashMap一致，主要的区别在于HashTable为了实现多线程安全，在几乎所有的方法上都加上了synchronized锁，而加锁的结果就是HashTable操作的效率十分低下
• HashMap允许有一个键为null，允许多个值为null;但HashTable不允许键或值为null
• Hash映射：HashMap的hash算法通过非常规设计，将底层table长度设计为2的幂，使用位与运算代替取模运算，减少运算消耗;而HashTable的hash算法首先使得hash值小于整型数最大值，再通过取模进行散射运算

LinkedHashMap

• LinkedHashMap的元素存取过程基本与HashMap基本类似，只是在细节实现上稍有不同。当然，这是由LinkedHashMap本身的特性所决定的，因为它额外维护了一个双向链表用于保持迭代顺序。此外，LinkedHashMap可以很好的支持LRU算法。HashMap和双向链表合二为一即是LinkedHashMap

WeakHashMap

• WeakHashMap 也是一个散列表，它存储的内容也是键值对(key-value)映射，而且键和值都可以是 null
• WeakHashMap的键是“弱键”。在 WeakHashMap 中，当某个 key 不再被强引用使用时，会被从WeakHashMap中被 JVM 自动移除，然后它对应的键值对也会被从WeakHashMap中移除。?JAVA引用类型和ThreadLocal

ConcurrentHashMap(1.8JDK)

• ConcurrentHashMap 是 HashMap 的多线程安全版本。它使用了细粒度锁 和 cas 提高了在多线程环境的安全性和高并发
• 底层数据结构是 数组 + 链表/红黑树(后面专门写一篇介绍)

ConcurrentSkipListMap 了解一波

• ConcurrentSkipListMap 则是基于跳跃链表的实现的 map，使用了 cas 技术实现线程安全性，高并发
• ConcurrentSkipListMap 相比 ConcurrentHashMap 的优点
  • ConcurrentSkipListMap 的key是有序的。
  • ConcurrentSkipListMap 支持更高的并发。ConcurrentSkipListMap的存取时间是log(N)，和线程数几乎无关。也就是说在数据量一定的情况下，并发的线程越多，ConcurrentSkipListMap 越能体现出它的优势

NavigableMap 和 ConcurrentNavigableMap 操作 key 值的范围区间

• TreeMap 实现了 NavigableMap 。ConcurrentNavigableMap 高并发线程安全版的 TreeMap
• NavigableMap 提供了针对给定搜索目标返回最接近匹配项的导航方法。直接看API

1. KlowerKey(Kkey)//找到第一个比指定的key小的值
2. KfloorKey(Kkey)//找到第一个比指定的key小于或等于的key
3. KceilingKey(Kkey)//找到第一个大于或等于指定key的值
4. KhigherKey(Kkey)//找到第一个大于指定key的值
5. Map.EntryfirstEntry()//获取最小值
6. Map.EntrylastEntry()//获取最大值
7. Map.EntrypollFirstEntry()//删除最小的元素
8. Map.EntrypollLastEntry()//删除最大的元素
9. NavigableMapdescendingMap()//返回一个倒序的Map
10. //返回值小于toKey的NavigableMap
11. NavigableMapheadMap(KtoKey,booleaninclusive)
12. //返回值大于fromKey的NavigableMap
13. NavigableMaptailMap(KfromKey,booleaninclusive)
14. //返回值小于toKey大于的fromKeyNavigableMap
15. NavigableMapsubMap(KfromKey,booleanfromInclusive,KtoKey,booleantoInclusive)

5.Set(集合)

• Set特点：元素无放入顺序，元素不可重复，如果加入重复元素，会保留最先加入的对象。存取速度快

Set 的几种实现子类和各自特点

• TreeSet：底层数据结构采用二叉树来实现，元素唯一且已经排好序;唯一性同样需要重写 hashCode 和 equals()方法，二叉树结构保证了元素的有序
  • 根据构造方法不同，分为自然排序(无参构造)和比较器排序(有参构造)，自然排序要求元素必须实现Compareable接口，并重写里面的compareTo()方法
• HashSet：是哈希表实现的，HashSet中的数据是无序的，可以放入 null，但只能放入一个null，两者中的值都不能重复，就如数据库中唯一约束
  • HashSet 是基于 HashMap 算法实现的，其性能通常都优于TreeSet
  • 为快速查找而设计的Set，我们通常都会用到HashSet，若需要排序的功能时，才使用TreeSet
• LinkedHashSet：底层数据结构采用链表和哈希表共同实现，链表保证了元素的顺序与存储顺序一致，哈希表保证了元素的唯一性，效率高。但线程不安全

ConcurrentSkipListSet

• 基于 ConcurrentSkipListMap 实现

CopyOnWriteArraySet

• 基于 CopyOnWriteArrayList 实现

BitSet

• BitSet是位操作的对象，值只有 0 或 1 即false和true，内部维护了一个long数组，初始只有一个long，所以BitSet最小的size是64，当随着存储的元素越来越多，BitSet内部会动态扩充，最终内部是由N个long来存储
• 如统计40亿个数据中没有出现的数据，将40亿个不同数据进行排序等。\
• 现在有1千万个随机数，随机数的范围在1到1亿之间。现在要求写出一种算法，将1到1亿之间没有在随机数中的数求出来

1. voidand(BitSetset)//两个BitSet做与操作，结果并存入当前BitSet
2. voidandNot(BitSetset)//两个BitSet与非操作
3. voidflip(intindex)//反转某一个指定index
4. booleanintersects(BitSetbitSet)//是否有交集
5. intcardinality()//返回true/1的个数
6. voidclear()//重置
7. voidclear(intstartIndex,intendIndex)//startIndex~endIndex重置
8. intnextSetBit(intstartIndex)//检索在startIndex之后出现为1的第一位的索引
9. intnextClearBit(intstartIndex)//检索在startIndex之后出现为0的第一位的索引

6.Queue(队列)

• Queue的概念 队列是一种特殊的线性表，只允许元素从队列一端入队，而另一端出队(获取元素)，就像我们平时排队结算一样(懂文明讲礼貌不插队)。Queue 的数据结构和 List 一样，可以基于数组，链表实现，队列通常都是一端进(offer)，另一端出(poll)，有序性

PriorityQueue

• PriorityQueue是按优先级排序的队列，也就是说 vip 可以插队。优先队列要求使用 Java Comparable 和 Comparator 接口给对象排序，并且在排序时会按照优先级处理其中的元素
• PriorityBlockingQueue 是线程安全的PriorityQueue

BlockingQueue

• BlockingQueue很好的解决了多线程中，如何高效安全“传输”数据的问题。通过这些高效并且线程安全的队列类，为我们快速搭建高质量的多线程程序带来极大的便利。常用于线程的任务队列

DelayQueue

• DelayQueue是一个没有边界BlockingQueue实现，加入元素必须实现Delayed接口。当生产者线程调用put之类的方法加入元素时，会触发 Delayed 接口中的compareTo方法进行排序
• 消费者线程查看队列头部的元素，注意是查看不是取出。然后调用元素的getDelay方法，如果此方法返回的值小0或者等于0，则消费者线程会从队列中取出此元素，并进行处理。如果getDelay方法返回的值大于0，则消费者线程阻塞到第一元素过期

Queue 的 API

1. booleanadd(Ee);//加入队列尾部
2. booleanoffer(Ee);//加入队列尾部，并返回结果
3. Eremove();//移除头部元素
4. Epoll();//获取头部元素，并移除
5. Eelement();//获取头部元素，不存在则报错
6. Epeek();//获取头部元素，不移除

7.Deque(双向队列)

• Deque接口代表一个"双端队列"，双端队列可以同时从两端来添加、删除元素，因此Deque的实现类既可以当成队列使用、也可以当成栈使用
• Deque 的子类 LinkedList，ArrayDeque，LinkedBlockingDeque

Deque的 API

1. voidaddFirst(Ee);//加入头部
2. voidaddLast(Ee);//加入尾部
3. booleanofferFirst(Ee);//加入头部，并返回结果
4. booleanofferLast(Ee);//加入尾部，并返回结果
5. EremoveFirst();//移除第一个元素
6. EremoveLast();//移除最后一个元素
7. EgetFirst();//获取第一个元素,不存在则报错
8. EgetLast();//获取最后一个元素,不存在则报错
9. EpollFirst();//获取第一个元素,并移除
10. EpollLast();//获取最后一个元素,并移除
11. EpeekFirst();//获取第一个元素
12. EpeekLast();//获取最后一个元素
13. voidpush(Ee);//加入头部
14. Epop();//弹出头部元素

参考文章

java集合超详解

原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/jybPHvKp4kb300506ius2w