Java容器集合经典面试题集

概述类面试题

1. 请说一下Java容器集合的分类，各自的继承结构

Java集合分为两大类：Collection 和 Map

Collection集合

Map集合

2. 请谈一谈Java集合中的fail-fast和fail-safe机制

fail-fast

fail-fast也就是 “快速失败”，它是Java集合的一种错误检测机制。当多个线程对集合进行结构上的改变的操作时，有可能会产生fail-fast机制。假设存在两个线程（线程1、线程2），线程1通过Iterator在遍历集合A中的元素，在某个时候线程2修改了集合A的结构（是结构上面的修改，而不是简单的修改集合元素的内容），那么这个时候程序就会抛出 ConcurrentModificationException 异常，从而产生了fail-fast机制

ArrayList产生fail-fast的原理：

首先ArrayList自身会维护一个modCount变量，每当进行增删元素等操作时，modCount变量都会进行自增。当使用迭代器遍历ArrayList时，迭代器会新维护一个初始值等于modCount的expectedModCount变量，每次获取下一个元素的时候都会去检查expectModCount和modCount是否相等。在上面举的例子中，由于B线程增删元素会导致modCount自增，当A线程遍历元素时就会发现两个变量不等，从而抛出ConcurrentModificationException异常

fail-fast解决办法

• 方案一：在遍历过程中所有涉及到改变modCount值得地方全部加上synchronized或者直接使用Collections.synchronizedList，这样就可以解决（不推荐，因为增删造成的同步锁可能会阻塞遍历操作）
• 方案二：使用CopyOnWriteArrayList来替换ArrayList( 推荐使用）

fail-safe

fail-safe机制更像是一种对fail-fast机制的补充，它被广泛地实现在各种并发容器集合中。回头看上面的例子，如果线程A遍历的不是一个ArrayList，而是一个CopyOnWriteArrayList，则符合fail-safe机制，线程B可以同时对该集合的元素进行增删操作，线程A不会抛出任何异常

CopyOnWriteArrayList产生fail-safe的原理：

当使用迭代器遍历集合时，会基于原数组拷贝出一个新的数组（CopyOnWriteArrayList的底层是数组），后续的遍历行为在新数组上进行。因此线程B同时进行增删操作不会影响到线程A的遍历行为

3. 如何一边遍历一边删除Collection中的元素？

ArrayList<Integer> list = new ArrayList<>();
// 使用迭代器
Iterator<Integer> iterator = list.iterator();
while (iterator.hasNext()) {
    System.out.println(iterator.next());
    iterator.remove();
}

List类面试题

1. 谈谈ArrayList和LinkedList的区别

ArrayList的底层是数组，LinkedList的底层是双向链表

数组拥有O(1)的查询效率，可以通过下标直接定位元素；链表在查询元素的时候只能通过遍历的方式查询，效率比数组低

数组增删元素的效率比较低，通常要伴随拷贝数组的操作；链表增删元素的效率很高，只需要调整对应位置的指针即可

比如说我们常常用ArrayList代替数组，因为封装了许多易用的api，而且它内部实现了自动扩容机制，由于它内部维护了一个当前容量的指针size，直接往ArrayList中添加元素的时间复杂度是O(1)的，使用非常方便

LinkedList常常被用作Queue队列的实现类，由于底层是双向链表，能够轻松地提供先入先出的操作

2. 谈谈ArrayList和Vector的区别

两者的底层实现相似，关键的不同在于Vector的对外提供操作的方法都是用synchronized修饰的，也就是说Vector在并发环境下是线程安全的，而ArrayList在并发环境下可能会出现线程安全问题。

由于Vector的方法都是同步方法，执行起来会在同步上消耗一定的性能，所以在单线程环境下，Vector的性能是不如ArrayList

除了线程安全这点本质区别外，还有一个实现上的小细节区别：ArrayList每次扩容的大小为原来的1.5倍；Vector可以指定扩容的大小，默认是原来大小的两倍

3. 为什么ArrayList的elementData数组要加上transient修饰

由于ArrayList有自动扩容机制，所以ArrayList的elementData数组大小往往比现有的元素数量大，如果不加transient直接序列化的话会把数组中空余的位置也序列化了，浪费不少的空间

ArrayList中重写了序列化和反序列化对应的writeObject和readObject方法，在遍历数组元素时，以size作为结束标志，只序列化ArrayList中已经存在的元素

Map类面试题

1. 请介绍一下HashMap的实现原理

• 在JDK7底层是数组+ 链表实现的，JDK8底层是数据+链表+红黑树实现的
• 在进行put操作时，会调用hash方法对key进行计算，并与HashMap长度进行与运算，得出其在数组的下标索引
• 这时候存在两种情况：
  • 此位置无元素，直接填充
  • 此位置有元素，这时候就会出现哈希冲突，此位置的多个元素都是链表形式存储，依次跟链表上的这些元素进行对比，如果hash值一样且equal方法返回true则说明是替换操作，将原来的元素替换，否则则是添加操作
• 最后就是扩容操作，如果HashMap的size超过阀值，就会进行扩容操作，在JDK8中，如果同一索引的元素个数超过8且数组的长度超过64，则将该索引的元素转换成红黑树存储

2. HashMap是怎样确定key存放在数组的哪个位置的？

首先计算key的hash值，计算过程是：先得到key的hashCode（int类型，4字节），然后把hashCode的高16位与低16位进行异或，得到key的hash值。

接下来用key的hash值与数组长度减一的值进行按位与操作，得到key在数组中对应的下标

追问：为什么计算key的hash时要把hashCode的高16位与低16位进行异或？（变式：为什么不直接用key的hashCode）

计算key在数组中的下标时，是通过hash值与数组长度减一的值进行按位与操作的。由于数组的长度通常不会超过2^16，所以hash值的高16位通常参与不了这个按位与操作

为了让hashCode的高16位能够参与到按位与操作中，所以把hashCode的高16位与低16位进行异或操作，使得高16位的影响能够均匀稀释到低16位中，使得计算key位置的操作能够充分散列均匀

3. 为什么要把链表转为红黑树，阈值为什么是8？

在极端情况下，比如说key的hashCode()返回的值不合理，或者多个密钥共享一个hashCode，很有可能会在同一个数组位置产生严重的哈希冲突。这种情况下，如果我们仍然使用使用链表把多个冲突的元素串起来，这些元素的查询效率就会从O(1)下降为O(N)。为了能够在这种极端情况下仍保证较为高效的查询效率，HashMap选择把链表转换为红黑树，红黑树是一种常用的平衡二叉搜索树，添加，删除，查找元素等操作的时间复杂度均为O(logN)

至于阈值为什么是8，这是HashMap的作者根据概率论的知识得到的。当key的哈希码分布均匀时，数组同一个位置上的元素数量是成泊松分布的，同一个位置上出现8个元素的概率已经接近千分之一了，这侧面说明如果链表的长度达到了8，key的hashCode()肯定是出了大问题，这个时候需要红黑树来保证性能，所以选择8作为阈值

追问：为什么红黑树转换回链表的阈值不是7而是6呢？

如果是7的话，那么链表和红黑树之间的切换范围值就太小了。如果我的链表长度不停地在7和8之间切换，那岂不是得来回变换形态？所以选择6是一种折中的考虑

4. 请说一下HashMap的扩容原理

1. 首先得到新的容量值和新的扩容阈值，默认都是原来大小的两倍。
2. 然后根据新容量创建新的数组
3. 最后把元素从旧数组中迁移到新数组中

在JDK1.7中，迁移数据的时候所有元素都重新计算了hash，并根据新的hash重新计算数组中的位置。

在JDK1.8中，这个过程进行了优化：如果当前节点是单独节点（后面没有接着链表），则根据该节点的hash值与新容量减一的值按位与得到新的地址

如果当前节点后面带有链表，则根据每个节点的hash值与旧数组容量进行按位与的结果进行划分

• 如果得到的值为0，这些元素会被分配回原来的位置
• 如果得到的结果不为0，则分配到新位置，新位置的下标为当前位置下标加上旧数组容量

还有一种情况是当前节点是树节点，那么会调用一个专门的拆分方法进行拆分

追问：为什么HashMap不支持动态缩容？

如果要支持动态缩容，可能就要把缩容安排在remove方法里，这样可能会导致remove方法的时间复杂度从O(1)上升为O(N)

5. 为什么HashMap中适合用Integer、String这样的基础类型作为key？

因为这些基础类内部已经重写了hashCode和equals方法，遵守了HashMap内部的规范。

追问：如果要用我们自己实现的类作为key，要注意什么？

一定要重写hashCode()和equals()方法，而且要遵从以下规则：

equals()是我们判断两个对象是否相同的依据，如果我们重写了equals方法，用自己的逻辑去判断两个对象是否相同，那么一定要保证：两个equals()返回true的对象，一定要返回相同的hashCode。这样，在HashMap的put方法中才能正确判断key是否相同

追问：两个对象hashCode相同，equals一定返回true吗？

答案肯定是否的，这和你的设计密切相关：如果在你的编程思路中这两个对象是不同的，那么就算恰巧两个对象的hashCode相同，equals也应该返回false

6. 为什么HashMap数组的长度是2的幂次方？

因为这样能够提高根据key计算所在数组位置的效率

HashMap根据key计算数组位置的算法是：用key的hash值与（数组长度 - 1）的值进行按位与操作

因为hashMap 的数组长度都是2的n次幂 ，那么对于这个数再减去1，转换成二进制的话，就肯定是最高位为0，其他位全是1 的数

eg:

 第一个key：        hashcode值：10101001    
                            &     0111                                      
                                  0001  （十进制为1）
 
 -------------------------------------------                           
 第二个key：       hashcode值：11101000    
                           &     0111      
                                 0000  （十进制为0）
 
 --------------------------------------------               
 第三个key：       hashcode值：11101110    
                          &      0111      
                                 0110  （十进制为6）

这样得到的数，就会完整的得到原hashcode 值的低位值，不会受到与运算对数据的变化影响

如果数组长度不是2的n次幂

以7为例：

 第一个key：      hashcode值：10101001    
                         &      0110                                      
                                0000  （十进制为0）
 
  ------------------------------------------                           
  第二个key：      hashcode值：11101000    
                          &      0110      
                                 0000  （十进制为0）
 
 --------------------------------------------               
  第三个key：      hashcode值：11101110    
                          &      0111      
                                 0110  （十进制为6）

通过上边可以看到，当数组长度不为2的n次幂 的时候，hashCode 值与数组长度减一做与运算的时候，会出现重复的数据，

因为不为2的n次幂的话，对应的二进制数肯定有一位为0 , 这样不管hashCode 值对应的该位，是0还是1 ,

最终得到的该位上的数肯定是0，这带来的问题就是HashMap上的数组元素分布不均匀，而数组上的某些位置，永远也用不到

7. HashMap与HashTable有什么区别？

• 在JDK1.7之前，两者的实现极为相似，最大的区别在于HashTable的方法都用synchronized关键字修饰起来了，表明它是线程安全的，由于直接在方法上加synchronized关键字的同步效率较低，在并发情况下，官方推荐我们使用ConcurrentHashMap

在JDK1.8中，官方甚至没有对HashTable进行链表转树这样的优化，HashTable已经不被推荐使用了

8. 请说一下ConcurrentHashMap的实现原理

在JDK1.7中ConcurrentHashMap采用了一种分段锁的机制，它的底层实现是一个segment数组，每个segment的底层结构和HashMap相似，也是数组加链表

当对segment里面的元素进行操作之前，需要获得该segment独有的一把ReentrantLock，ConcurrentHashMap如果不进行手动设置的话，默认有16个segment，可以支持16个线程对16个不同的segment进行并发写操作

在JDK1.8之后摒弃了segment这种臃肿的设计，新的实现和HashMap非常相似，底层用的也是数组加链表加红黑树。

在新实现中，在put方法里使用了CAS + synchronized进行同步。如果插入元素的位置为空，则使用CAS进行插入。如果插入的位置不为空，则对当前位置的对象进行加锁，也就链表或红黑树的头节点，加锁后再进行后续的插入操作

这样设计的好处是：

1. CAS是十分轻量的加锁操作，如果能够直接插入，用CAS能够大幅度节省加锁的开销
2. 如果发生冲突，只用锁住当前位置的头结点，理论上数组的长度有多大，并发操作的线程数就能有多少，比原来只能有16个线程效率更高