Java後端高頻知識點學習筆記2---Java集合

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1、Java中有哪些集合

Java中的集合類主要由Collection和Map這兩個介面派生出
Collection介面又派生出三個子介面：Set、List、Queue
Set：HashSet、TreeSet
List：ArrayList、LinkedList、Vector
Queue：PriorityQueue、Deque
Map介面下的集合：HashMap、ConcurrentHashMap、Hashtable、TreeMap

2、List、Set、Map三者的區別

List：儲存的元素是有序的、可重複的
Set：儲存的元素是無序的、不可重複的
Map：使用鍵值對儲存；Key是無序的，不可重複的；Value是無序的，可重複的；每個鍵最多對映到一個值

3、ArrayList和LinkedList的區別

（1）ArrayList基於陣列實現，LinkedList基於雙向連結串列實現

（2）對於隨機訪問，ArrayList要優於LinkedList，ArrayList可以根據下標以O(1)時間複雜度對元素進行隨機訪問，而LinkedList的每一個元素都依靠地址指標連線後一個元素，查詢某個元素的時間複雜度是O(N)

（3）對於插入和刪除操作，LinkedList要優於ArrayList

（4）LinkedList比ArrayList更佔記憶體，因為LinkedList的節點除了儲存資料，還儲存了兩個引用，一個指向前一個元素，一個指向後一個元素

4、有哪些執行緒安全的List

5、ArrayList和Vector的區別

ArrayList不是執行緒安全的，Vector是執行緒安全的（執行緒安全：當多個執行緒訪問某一個類(物件或方法)時，物件對應的公共資料區始終都能表現正確，那麼這個類(物件或方法)就是執行緒安全的）

ArrayList中的方法不是同步的，Vector中的絕大多數方法都是直接或間接同步的（同步，簡單來說，就是所有的操作都做完，才返回；非同步反之，不等所有操作等做完就返回）

6、ArrayList的擴容機制(基於jdk1.8)

1、ArrayList以無參構造方法建立ArrayList時，初始化賦值的是一個空陣列，對陣列進行新增元素操作時，才真正分配容量；當向ArrayList中新增第一個元素時，陣列容量預設擴容為10

2、當需要擴容時，ArrayList每次擴容都以原來容量的1.5倍進行擴容

3、然後再判斷新容量是否小於最小需要容量，如果還是小於最小需要容量，那就把最小需要容量當作陣列的新容量，即不需要再進行擴容計算

4、然後判斷新容量是否大於設定的最大容量MAX_ARRAY_SIZE
private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;
//-8是為了避免oom
如果已經大於最大容量，則會呼叫hugeCapacity()方法，返回Integer的最大值

5、再通過Arrays.copyOf()方法將原陣列中的內容放到擴容後的新數組裡面

7、HashMap底層實現

分JDK1.7和JDK1.8來答
在JDK1.7時，HashMap的底層資料結構是：陣列+連結串列
在JDK1.8時，HashMap的底層資料結構是：陣列+連結串列+紅黑樹

put操作：
① 首先判斷陣列是否為空，如果陣列為空則進行第一次擴容（resize）
② 根據key計算hash值並與上陣列的長度-1（int index = key.hashCode()&(length-1)）得到鍵值對在陣列中的索引
③ 如果該位置為null，則直接插入
④ 如果該位置不為null,則判斷key是否一樣(hashCode和equals)，如果一樣則直接覆蓋value
⑤ 如果key不一樣，則判斷該元素是否為紅黑樹的節點，如果是，則直接在紅黑樹中插入鍵值對
⑥ 如果不是紅黑樹的節點，則就是連結串列，遍歷這個連結串列執行插入操作，如果遍歷過程中若發現key已存在，直接覆蓋value即可
如果連結串列的長度大於等於8且陣列中元素數量大於等於閾值64，則將連結串列轉化為紅黑樹，（先在連結串列中插入再進行判斷）
如果連結串列的長度大於等於8且陣列中元素數量小於閾值64，則先對陣列進行擴容，不轉化為紅黑樹
⑦插入成功後，判斷陣列中元素的個數是否大於閾值64（threshold），超過了就對陣列進行擴容操作

get操作：
① 計算key的hashCode的值，找到key在陣列中的位置
② 如果該位置為null，就直接返回null
③ 否則，根據equals()判斷key與當前位置的值是否相等，如果相等就直接返回
④ 如果不等，再判斷當前元素是否為樹節點，如果是樹節點就按紅黑樹進行查詢
⑤ 否則，按照連結串列的方式進行查詢

8、HashMap的擴容機制

1、陣列的初始容量為16，而容量是以2的次方擴充的，一是為了提高效能使用足夠大的陣列，二是為了能使用位運算代替取模預算(據說提升了5~8倍)
2、陣列是否需要擴充是通過負載因子判斷的，如果當前元素個數為陣列容量的0.75時，就會擴充陣列；這個0.75就是預設的負載因子，可由構造器傳入；也可以設定大於1的負載因子，這樣陣列就不會擴充，犧牲效能，節省記憶體
3、為了解決碰撞，陣列中的元素是單向連結串列型別；當連結串列長度到達一個閾值時(7或8)，會將連結串列轉換成紅黑樹提高效能；而當連結串列長度縮小到另一個閾值時（6)，又會將紅黑樹轉換回單向連結串列提高效能
4、對於第三點補充說明，檢查連結串列長度轉換成紅黑樹之前，還會先檢測當前陣列陣列是否到達一個閾值(64)，如果沒有到達這個容量，會放棄轉換，先去擴充陣列。所以上面也說了連結串列長度的閾值是7或8，因為會有一次放棄轉換的操作

9、HashMap為什麼是執行緒不安全的

分JDK1.7和JDK1.8來答
1、在JDK1.7中，當併發執行擴容操作時會造成死迴圈和資料丟失的情況

在JDK1.7中，在多執行緒情況下同時對陣列進行擴容，需要將原來資料轉移到新陣列中，在轉移元素的過程中使用的是頭插法，會造成死迴圈。

2、在JDK1.8中，在併發執行put操作時會發生資料覆蓋的情況

如果執行緒A和執行緒B同時進行put操作，剛好這兩條不同的資料hash值一樣，並且該位置資料為null，所以這執行緒A、B都會通過判斷，將執行插入操作
假設一種情況，執行緒A進入後還未進行資料插入時掛起，而執行緒B正常執行，從而正常插入資料，然後執行緒A獲取CPU時間片，此時執行緒A不用再進行hash判斷了，問題出現：執行緒A會把執行緒B插入的資料給覆蓋，發生執行緒不安全

10、HashMap是如何解決雜湊衝突的

拉鍊法（鏈地址法）
為了解決碰撞，陣列中的元素是單向連結串列型別；當連結串列長度大於等於8時，會將連結串列轉換成紅黑樹提高效能；而當連結串列長度小於等於6時，又會將紅黑樹轉換回單向連結串列提高效能

11、HashMap為什麼使用紅黑樹而不是B樹或平衡二叉樹AVL或二叉查詢樹

1、不使用二叉查詢樹
二叉排序樹在極端情況下會出現線性結構。例如：新增的元素都比根節點小，會導致左子樹線性增長，這樣就失去了用樹型結構替換連結串列的初衷

2、不使用平衡二叉樹
平衡二叉樹是嚴格的平衡樹，紅黑樹是不嚴格平衡的樹，平衡二叉樹在插入或刪除後維持平衡的開銷要大於紅黑樹
雖然紅黑樹查詢效能略低於平衡二叉樹，但在插入和刪除上效能要優於平衡二叉樹
選擇紅黑樹是從功能、效能和開銷上綜合選擇的結果

3、不使用B樹/B+樹
HashMap本來是陣列+連結串列的形式，連結串列由於其查詢慢的特點，所以需要被查詢效率更高的樹結構來替換
如果用B/B+樹的話，在資料量不是很多的情況下，資料都會“擠在”一個結點裡面，這個時候遍歷效率就退化成了連結串列

12、HashMap和Hashtable的區別

① HashMap是⾮執行緒安全的；Hashtable是執行緒安全的，Hashtable 內部的⽅法基本都經過synchronized修飾

② 因為執行緒安全的問題，HashMap要⽐Hashtable效率⾼⼀點

③ HashMap允許鍵和值是null，而Hashtable不允許鍵或值是null
HashMap中，null可以作為鍵，這樣的鍵只有⼀個，可以有⼀個或多個鍵所對應的值為null；HashTable則不允許，當 put 進的鍵或值只要有⼀個 null，直接丟擲 NullPointerException

④ HashMap預設的初始⼤⼩為16，之後每次擴充，容量變為原來的2倍；Hashtable預設的初始⼤⼩為11，之後每次擴充，容量變為原來的2n+1

⑤ 建立時如果給定了容量初始值，那麼 Hashtable 會直接使⽤你給定的⼤⼩；⽽ HashMap 會將其擴充為2的冪次⽅⼤⼩

⑥ JDK1.8 以後的 HashMap 在解決雜湊衝突時當連結串列⻓度⼤於等於8時，將連結串列轉化為紅⿊樹，以減少搜尋時間；Hashtable沒有這樣的機制，Hashtable的底層，是以陣列+連結串列的形式來儲存

⑦ HashMap的父類是AbstractMap，Hashtable的父類是Dictionary

13、ConcurrentHashMap底層實現

JDK1.7

底層資料結構：Segments陣列+HashEntry陣列+連結串列，採用分段鎖保證安全性

一個ConcurrentHashMap中有一個Segments陣列，一個Segments中儲存一個HashEntry陣列，每個HashEntry是一個連結串列結構的元素；segment繼承自ReentrantLock鎖

首先將資料分為一段一段的儲存，然後給每一段資料配一把鎖，當一個執行緒佔用鎖訪問其中一段資料時，其他段的資料也能被其他執行緒訪問，實現了真正的併發訪問

get()操作：
HashEntry中的value屬性和next指標是用volatile修飾的，保證了可見性，所以每次獲取的都是最新值，get()過程不需要加鎖
get()操作流程
1、將key傳入get方法中，先根據key的hashcode的值找到對應的segment段
2、再根據segment中的get方法再次hash，找到HashEntry陣列中的位置
3、最後在連結串列中根據hash值和equals方法進行查詢

ConcurrentHashMap的get操作跟HashMap類似，只是ConcurrentHashMap需要先經過一次hash定位到Segment的位置，然後再hash定位到指定的HashEntry，遍歷該HashEntry下的連結串列進行對比，成功就返回，不成功就返回null

put()操作流程：
1、將key傳入put方法中，先根據key的hashcode的值找到對應的segment段
2、再根據segment中的put方法，加鎖lock()
3、再次hash定位，確定存放的hashEntry陣列中的位置
4、在連結串列中根據hash值和equals方法進行比較，如果相同就直接覆蓋，如果不同就插入在連結串列中

JDK1.8

底層資料結構：Node陣列+連結串列+紅黑樹；採用Synchronized和CAS來保證執行緒安全

get()操作：
get操作全程無鎖；get操作可以無鎖是由於Node元素的值val和指標next是用volatile修飾的

在多執行緒環境下，執行緒A修改節點的val或者新增節點的時候是對執行緒B可見的

get()操作流程
1、計算hash值，定位到Node陣列中的位置
2、如果該位置為null，則直接返回null
3、如果該位置不為null，再判斷該節點是紅黑樹節點還是連結串列節點；如果是紅黑樹節點，使用紅黑樹的查詢方式來進行查詢；如果是連結串列節點，遍歷連結串列進行查詢

put()操作流程
1、先判斷Node陣列有沒有初始化，如果沒有初始化先初始化，執行initTable()方法
2、根據key的進行hash定位，找到Node陣列中的位置，如果不存在hash衝突，即該位置是null，直接CAS插入
3、如果存在hash衝突，就先對連結串列的頭節點或者紅黑樹的頭節點加synchronized鎖
4、如果是連結串列，就遍歷連結串列，如果key相同就執行覆蓋操作，如果不同就將元素插入到連結串列的尾部，並且在連結串列長度大於8， Node陣列的長度超過64時，會將連結串列的轉化為紅黑樹
5、如果是紅黑樹，就按照紅黑樹的結構進行插入

14、ConcurrentHashMap和Hashtable的區別

1、底層資料結構

JDK1.7的ConcurrentHashMap底層採用：Segments陣列 + HashEntry陣列 + 連結串列
JDK1.8的ConcurrentHashMap底層採用：Node資料 + 連結串列 + 紅黑樹
Hashtable底層資料結構採用：陣列 + 連結串列

2.實現執行緒安全的方式

JDK1.7中ConcurrentHashMap採用分段鎖實現執行緒安全
JDK1.8中ConcurrentHashMap採用synchronized和CAS來實現執行緒安全
Hashtable採用synchronized來實現執行緒安全；在方法上加synchronized同步鎖

15、HashSet和TreeSet的異同

相同點
HashSet和TreeSet的元素都是不能重複的，都是執行緒不安全的

不同點
① HashSet中的元素可以為null，但TreeSet中的元素不能為null
② HashSet不能保證元素的排列順序，TreeSet支援自然排序、定製排序兩種排序方式
③ HashSet底層採用雜湊表實現，TreeSet底層採用紅黑樹實現