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JAVA常用集合面试题 ​

1、List ​

1、ArrayList和LinkedList的区别?分别用在什么场景? ​

  1. ArrayList和LinkedList可从名字分析,它们一个是Array(动态数组)的数据结构,一个是Link(链表)的数据结构,此外,它们两个都是对List接口的实现。

    前者是数组队列,相当于动态数组;后者为双向链表结构,也可当作堆栈、队列、双端队列。

  2. 当随机访问List时(get和set操作),ArrayList比LinkedList的效率更高,因为LinkedList是线性的数据存储方式,所以需要移动指针从前往后依次查找

  3. 当对数据进行增加和删除的操作时(add和remove操作),LinkedList比ArrayList的效率更高,因为ArrayList是数组,所以在其中进行增删操作时,会对操作点之后所有数据的下标索引造成影响,需要进行数据的移动。

  4. 从利用效率来看,ArrayList自由性较低,因为它需要手动的设置固定大小的容量,但是它的使用比较方便,只需要创建,然后添加数据,通过调用下标进行使用;而LinkedList自由性较高,能够动态的随数据量的变化而变化,但是它不便于使用。

  5. ArrayList主要控件开销在于需要在List列表预留一定空间;而LinkedList主要控件开销在于需要存储结点信息以及结点指针信息

场景:

链表:插入删除快,查找修改慢。 适用于频繁增删的场景。

数组:查找快,插入删除慢。 适用于频繁查找和修改的场景。

2、ArrayList扩容 ​

扩容规则

  1. ArrayList() 会使用长度为零的数组

  2. ArrayList(int initialCapacity) 会使用指定容量的数组

  3. public ArrayList(Collection<? extends E> c) 会使用 c 的大小作为数组容量

  4. add(Object o) 首次扩容为 10,再次扩容为上次容量的 1.5 倍

  5. addAll(Collection c) 没有元素时,扩容为 Math.max(10, 实际元素个数),有元素时为 Math.max(原容量 1.5 倍, 实际元素个数)

TestArrayList#arrayListGrowRule 演示了 add(Object) 方法的扩容规则,输入参数 n 代表打印多少次扩容后的数组长度

java
package com.xx.test;

import java.lang.reflect.Field;
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

/**
 * @Author: xueqimiao
 * @Date: 2025/5/8 09:24
 */
public class TestArrayList {

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(arrayListGrowRule(30));
//        testAddAllGrowEmpty();
        testAddAllGrowNotEmpty();
    }

    private static List<Integer> arrayListGrowRule(int n) {
        List<Integer> list = new ArrayList<>();
        int init = 0;
        list.add(init);
        if (n >= 1) {
            init = 10;
            list.add(init);
        }
        for (int i = 1; i < n; i++) {
            init += (init) >> 1;
            list.add(init);
        }
        return list;
    }

    private static void testAddAllGrowEmpty() {
        ArrayList<Integer> list = new ArrayList<>();
//        list.addAll(List.of(1, 2, 3));
//        list.addAll(List.of(1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11));
        System.out.println(length(list));
    }

    private static void testAddAllGrowNotEmpty() {
        ArrayList<Integer> list = new ArrayList<>();
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            list.add(i);
        }
//        list.addAll(List.of(1, 2, 3));
        list.addAll(List.of(1, 2, 3, 4, 5, 6));
        System.out.println(length(list));
    }

    public static int length(ArrayList<Integer> list) {
        try {
            Field field = ArrayList.class.getDeclaredField("elementData");
            field.setAccessible(true);
            return ((Object[]) field.get(list)).length;
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
            return 0;
        }
    }
}

3、LinkedList ​

  1. 基于双向链表,无需连续内存
  2. 随机访问慢(要沿着链表遍历)
  3. 头尾插入删除性能高
  • ArrayListVsLinkedList#randomAccess 对比随机访问性能
  • ArrayListVsLinkedList#addMiddle 对比向中间插入性能
  • ArrayListVsLinkedList#addFirst 对比头部插入性能
  • ArrayListVsLinkedList#addLast 对比尾部插入性能
  • ArrayListVsLinkedList#linkedListSize 打印一个 LinkedList 占用内存
  • ArrayListVsLinkedList#arrayListSize 打印一个 ArrayList 占用内存
java
package com.xx.test;

import cn.hutool.core.date.StopWatch;
import org.openjdk.jol.info.ClassLayout;

import java.lang.reflect.Field;
import java.util.*;
import java.util.stream.Collectors;


/**
 * @Author: xueqimiao
 * @Date: 2025/5/8 10:52
 * --add-opens java.base/java.util=ALL-UNNAMED
 */
@SuppressWarnings("all")
public class ArrayListVsLinkedList {
    public static void main(String[] args) {
        int n = 1000;
        int insertIndex = n;
        for (int i = 0; i < 1; i++) {
            int[] array = randomArray(n);
            List<Integer> list1 = Arrays.stream(array).boxed().collect(Collectors.toList());
            LinkedList<Integer> list2 = new LinkedList<>(list1);

//            randomAccess(list1, list2, n / 2);
//            addFirst(list1,list2);
//            addMiddle(list1, list2, n / 2);
//            addLast(list1,list2);
            arrayListSize((ArrayList<Integer>) list1);
            linkedListSize(list2);
        }
    }

    /*
    <dependency>
        <groupId>org.openjdk.jol</groupId>
        <artifactId>jol-core</artifactId>
        <version>0.10</version> <!-- 可根据需要替换版本 -->
    </dependency>
     */
    static void linkedListSize(LinkedList<Integer> list) {
        try {
            long size = 0;
            ClassLayout layout = ClassLayout.parseInstance(list);
//            System.out.println(layout.toPrintable());
            size += layout.instanceSize();
            Field firstField = LinkedList.class.getDeclaredField("first");
            firstField.setAccessible(true);
            Object first = firstField.get(list);
//            System.out.println(ClassLayout.parseInstance(first).toPrintable());
            long nodeSize = ClassLayout.parseInstance(first).instanceSize();
            size += (nodeSize * (list.size() + 2));
            long elementSize = ClassLayout.parseInstance(list.getFirst()).instanceSize();
            System.out.println("LinkedList size:[" + size + "],per Node size:[" + nodeSize + "],per Element size:[" + elementSize * list.size() + "]");
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    static void arrayListSize(ArrayList<Integer> list) {
        try {
            long size = 0;
            ClassLayout layout = ClassLayout.parseInstance(list);
//            System.out.println(layout.toPrintable());
            size += layout.instanceSize();
            Field elementDataField = ArrayList.class.getDeclaredField("elementData");
            elementDataField.setAccessible(true);
            Object elementData = elementDataField.get(list);
//            System.out.println(ClassLayout.parseInstance(elementData).toPrintable());
            size += ClassLayout.parseInstance(elementData).instanceSize();
            long elementSize = ClassLayout.parseInstance(list.get(0)).instanceSize();
            System.out.println("ArrayList size:[" + size + "],array length:[" + length(list) + "],per Element size:[" + elementSize * list.size() + "]");
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    static void randomAccess(List<Integer> list1, LinkedList<Integer> list2, int mid) {
        StopWatch sw = new StopWatch();
        sw.start("ArrayList");
        list1.get(mid);
        sw.stop();

        sw.start("LinkedList");
        list2.get(mid);
        sw.stop();

        System.out.println(sw.prettyPrint());
    }

    private static void addMiddle(List<Integer> list1, LinkedList<Integer> list2, int mid) {
        StopWatch sw = new StopWatch();
        sw.start("ArrayList");
        list1.add(mid, 100);
        sw.stop();

        sw.start("LinkedList");
        list2.add(mid, 100);
        sw.stop();

        System.out.println(sw.prettyPrint());
    }

    private static void addFirst(List<Integer> list1, LinkedList<Integer> list2) {
        StopWatch sw = new StopWatch();
        sw.start("ArrayList");
        list1.add(0, 100);
        sw.stop();

        sw.start("LinkedList");
        list2.addFirst(100);
        sw.stop();

        System.out.println(sw.prettyPrint());
    }

    private static void addLast(List<Integer> list1, LinkedList<Integer> list2) {
        StopWatch sw = new StopWatch();
        sw.start("ArrayList");
        list1.add(100);
        sw.stop();

        sw.start("LinkedList");
        list2.add(100);
        sw.stop();

        System.out.println(sw.prettyPrint());
    }


    public static int length(ArrayList<Integer> list) {
        try {
            Field field = ArrayList.class.getDeclaredField("elementData");
            field.setAccessible(true);
            return ((Object[]) field.get(list)).length;
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
            return 0;
        }
    }

    public static int[] randomArray(int n) {
        int[] result = new int[n];
        Random random = new Random();

        for (int i = 0; i < n; i++) {
            result[i] = random.nextInt(101); // 生成0到100之间的随机整数
        }

        return result;
    }
}

2、Map ​

1、HashMap 的数据结构? ​

哈希表结构(链表散列:数组+链表)实现,结合数组和链表的优点。当链表长度超过 8 时,链表转换为红黑树。transient Node<K,V>[] table;

2、HashMap 的工作原理? ​

HashMap 底层是 hash 数组和单向链表实现,数组中的每个元素都是链表,由 Node 内部类(实现 Map.Entry<K,V>接口)实现,HashMap 通过 put & get 方法存储和获取。

存储对象时,将 K/V 键值传给 put() 方法:

1、 调用 hash(K) 方法计算 K 的 hash 值,然后结合数组长度,计算得数组下标; 2、 调整数组大小(当容器中的元素个数大于 capacity * loadfactor 时,容器会进行扩容resize 为 2n); 3、 i.如果 K 的 hash 值在 HashMap 中不存在,则执行插入,若存在,则发生碰撞; ii.如果 K 的 hash 值在 HashMap 中存在,且它们两者 equals 返回 true,则更新键值对;iii. 如果 K 的 hash 值在 HashMap 中存在,且它们两者 equals 返回 false,则插入链表的尾部(尾插法)或者红黑树中(树的添加方式)。

(JDK 1.7 之前使用头插法、JDK 1.8 使用尾插法) (注意:当碰撞导致链表大于 TREEIFY_THRESHOLD = 8 时,就把链表转换成红黑树)

获取对象时,将 K 传给 get() 方法:①、调用 hash(K) 方法(计算 K 的 hash 值)从而获取该键值所在链表的数组下标;②、顺序遍历链表,equals()方法查找相同 Node 链表中 K 值对应的 V 值。

hashCode 是定位的,存储位置;equals是定性的,比较两者是否相等。

3、当两个对象的 hashCode 相同会发生什么? ​

因为 hashCode 相同,不一定就是相等的(equals方法比较),所以两个对象所在数组的下标相同,"碰撞"就此发生。又因为 HashMap 使用链表存储对象,这个 Node 会存储到链表中。

4、你知道 hash 的实现吗?为什么要这样实现? ​

JDK 1.8 中,是通过 hashCode() 的高 16 位异或低 16 位实现的:(h = k.hashCode()) ^ (h >>> 16),主要是从速度,功效和质量来考虑的,减少系统的开销,也不会造成因为高位没有参与下标的计算,从而引起的碰撞。

5、为什么要用异或运算符? ​

保证了对象的 hashCode 的 32 位值只要有一位发生改变,整个 hash() 返回值就会改变。尽可能的减少碰撞。

6、HashMap 的 table 的容量如何确定?loadFactor 是什么?该容量如何变化?这种变化会带来什么问题? ​

  1. table 数组大小是由 capacity 这个参数确定的,默认是16,也可以构造时传入,最大限制是1<<30;
  2. loadFactor 是装载因子,主要目的是用来确认table 数组是否需要动态扩展,默认值是0.75,比如table 数组大小为 16,装载因子为 0.75 时,threshold 就是12,当 table 的实际大小超过 12 时,table就需要动态扩容;
  3. 扩容时,调用 resize() 方法,将 table 长度变为原来的两倍(注意是 table 长度,而不是 threshold)
  4. 如果数据很大的情况下,扩展时将会带来性能的损失,在性能要求很高的地方,这种损失很可能很致命。

7、HashMap中put方法与扩容 ​

put 流程

  1. HashMap 是懒惰创建数组的,首次使用才创建数组
  2. 计算索引(桶下标)
  3. 如果桶下标还没人占用,创建 Node 占位返回
  4. 如果桶下标已经有人占用
    1. 已经是 TreeNode 走红黑树的添加或更新逻辑
    2. 是普通 Node,走链表的添加或更新逻辑,如果链表长度超过树化阈值,走树化逻辑
  5. 返回前检查容量是否超过阈值,一旦超过进行扩容

1.7 与 1.8 的区别

  1. 链表插入节点时,1.7 是头插法,1.8 是尾插法

  2. 1.7 是大于等于阈值且没有空位时才扩容,而 1.8 是大于阈值就扩容

  3. 1.8 在扩容计算 Node 索引时,会优化

扩容(加载)因子为何默认是 0.75f

  1. 在空间占用与查询时间之间取得较好的权衡
  2. 大于这个值,空间节省了,但链表就会比较长影响性能
  3. 小于这个值,冲突减少了,但扩容就会更频繁,空间占用也更多

8、树化与退化和索引计算 ​

树化意义

  • 红黑树用来避免 DoS 攻击,防止链表超长时性能下降,树化应当是偶然情况,是保底策略
  • hash 表的查找,更新的时间复杂度是 $O(1)$,而红黑树的查找,更新的时间复杂度是 $O(log_2⁡n )$,TreeNode 占用空间也比普通 Node 的大,如非必要,尽量还是使用链表
  • hash 值如果足够随机,则在 hash 表内按泊松分布,在负载因子 0.75 的情况下,长度超过 8 的链表出现概率是 0.00000006,树化阈值选择 8 就是为了让树化几率足够小

树化规则

  • 当链表长度超过树化阈值 8 时,先尝试扩容来减少链表长度,如果数组容量已经 >=64,才会进行树化

退化规则

  • 情况1:在扩容时如果拆分树时,树元素个数 <= 6 则会退化链表
  • 情况2:remove 树节点时,若 root、root.left、root.right、root.left.left 有一个为 null ,也会退化为链表

索引计算方法

  • 首先,计算对象的 hashCode()
  • 再进行调用 HashMap 的 hash() 方法进行二次哈希
    • 二次 hash() 是为了综合高位数据,让哈希分布更为均匀
  • 最后 & (capacity – 1) 得到索引

数组容量为何是 2 的 n 次幂

  1. 计算索引时效率更高:如果是 2 的 n 次幂可以使用位与运算代替取模
  2. 扩容时重新计算索引效率更高: hash & oldCap == 0 的元素留在原来位置 ,否则新位置 = 旧位置 + oldCap

注意

  • 二次 hash 是为了配合 容量是 2 的 n 次幂 这一设计前提,如果 hash 表的容量不是 2 的 n 次幂,则不必二次 hash
  • 容量是 2 的 n 次幂 这一设计计算索引效率更好,但 hash 的分散性就不好,需要二次 hash 来作为补偿,没有采用这一设计的典型例子是 Hashtable

9、拉链法导致的链表过深问题为什么不用二叉查找树代替,而选择红黑树?为什么不一直使用红黑树? ​

之所以选择红黑树是为了解决二叉查找树的缺陷,二叉查找树在特殊情况下会变成一条线性结构(这就跟原来使用链表结构一样了,造成很深的问题),遍历查找会非常慢。而红黑树在插入新数据后可能需要通过左旋,右旋、变色这些操作来保持平衡,引入红黑树就是为了查找数据快,解决链表查询深度的问题,我们知道红黑树属于平衡二叉树,但是为了保持“平衡”是需要付出代价的,但是该代价所损耗的资源要比遍历线性链表要少,所以当长度大于8的时候,会使用红黑树,如果链表长度很短的话,根本不需要引入红黑树,引入反而会慢。

10、说说你对红黑树的见解? ​

1、 每个节点非红即黑 2、 根节点总是黑色的 3、 如果节点是红色的,则它的子节点必须是黑色的(反之不一定) 4、 每个叶子节点都是黑色的空节点(NIL节点) 5、 从根节点到叶节点或空子节点的每条路径,必须包含相同数目的黑色节点(即相同的黑色高度)

11、jdk8中对HashMap做了哪些改变? ​

1、 在java 1.8中,如果链表的长度超过了8,那么链表将转换为红黑树。(桶的数量必须大于64,小于64的时候只会扩容) 2、 发生hash碰撞时,java 1.7 会在链表的头部插入,而java 1.8会在链表的尾部插入 3、 在java 1.8中,Entry被Node替代(换了一个马甲)。

12、HashMap,LinkedHashMap,TreeMap 有什么区别? ​

LinkedHashMap 保存了记录的插入顺序,在用 Iterator 遍历时,先取到的记录肯定是先插入的;遍历比 HashMap 慢;

TreeMap 实现 SortMap 接口,能够把它保存的记录根据键排序(默认按键值升序排序,也可以指定排序的比较器)

13、HashMap & TreeMap & LinkedHashMap 使用场景? ​

一般情况下,使用最多的是 HashMap。HashMap:在 Map 中插入、删除和定位元素时;TreeMap:在需要按自然顺序或自定义顺序遍历键的情况下;LinkedHashMap:在需要输出的顺序和输入的顺序相同的情况下。

14、HashMap 和 HashTable 有什么区别? ​

1、 HashMap 是线程不安全的,HashTable 是线程安全的; 2、 由于线程安全,所以 HashTable 的效率比不上 HashMap; 3、 HashMap最多只允许一条记录的键为null,允许多条记录的值为null,而 HashTable不允许; 4、 HashMap 默认初始化数组的大小为16,HashTable 为 11,前者扩容时,扩大两倍,后者扩大两倍+1; 5、 HashMap 需要重新计算 hash 值,而 HashTable 直接使用对象的 hashCode

15、Java 中的另一个线程安全的与 HashMap 极其类似的类是什么?同样是线程安全,它与 HashTable 在线程同步上有什么不同? ​

ConcurrentHashMap 类(是 Java并发包 java.util.concurrent 中提供的一个线程安全且高效的 HashMap 实现)。

HashTable 是使用 synchronize 关键字加锁的原理(就是对对象加锁);

而针对 ConcurrentHashMap,在 JDK 1.7 中采用 分段锁的方式;JDK 1.8 中直接采用了CAS(无锁算法)+ synchronized。

16、HashMap & ConcurrentHashMap 的区别? ​

除了加锁,原理上无太大区别。另外,HashMap 的键值对允许有null,但是ConCurrentHashMap 都不允许。

17、为什么 ConcurrentHashMap 比 HashTable 效率要高? ​

HashTable 使用一把锁(锁住整个链表结构)处理并发问题,多个线程竞争一把锁,容易阻塞;

ConcurrentHashMap

JDK 1.7 中使用分段锁(ReentrantLock + Segment + HashEntry),相当于把一个 HashMap 分成多个段,每段分配一把锁,这样支持多线程访问。锁粒度:基于 Segment,包含多个 HashEntry。

JDK 1.8 中使用 CAS + synchronized + Node + 红黑树。锁粒度:Node(首结点)(实现 Map.Entry<K,V>)。锁粒度降低了。

18、针对 ConcurrentHashMap 锁机制具体分析(JDK 1.7 VS JDK 1.8)? ​

JDK 1.7 中,采用分段锁的机制,实现并发的更新操作,底层采用数组+链表的存储结构,包括两个核心静态内部类 Segment 和 HashEntry。

1、 Segment 继承 ReentrantLock(重入锁) 用来充当锁的角色,每个 Segment 对象守护每个散列映射表的若干个桶; 2、 HashEntry 用来封装映射表的键-值对; 3、 每个桶是由若干个 HashEntry 对象链接起来的链表

image-20210922215536451

JDK 1.8 中,采用Node + CAS + Synchronized来保证并发安全。取消类 Segment,直接用 table 数组存储键值对;当 HashEntry 对象组成的链表长度超过 TREEIFY_THRESHOLD 时,链表转换为红黑树,提升性能。底层变更为数组 + 链表 + 红黑树。

image-20210922215547373

19、ConcurrentHashMap 在 JDK 1.8 中,为什么要使用内置锁 synchronized 来代替重入锁 ReentrantLock? ​

1、 粒度降低了; 2、 JVM 开发团队没有放弃 synchronized,而且基于 JVM 的 synchronized 优化空间更大,更加自然。 3、 在大量的数据操作下,对于 JVM 的内存压力,基于 API 的 ReentrantLock 会开销更多的内存。

20、ConcurrentHashMap 简单介绍? ​

1、重要的常量:

​ private transient volatile int sizeCtl; 当为负数时,-1 表示正在初始化,-N 表示 N - 1 个线程正在进行扩容;当为 0 时,表示 table 还没有初始化;当为其他正数时,表示初始化或者下一次进行扩容的大小。

2、数据结构:

​ Node 是存储结构的基本单元,继承 HashMap 中的 Entry,用于存储数据;TreeNode 继承 Node,但是数据结构换成了二叉树结构,是红黑树的存储结构,用于红黑树中存储数据;TreeBin 是封装 TreeNode 的容器,提供转换红黑树的一些条件和锁的控制。

3、存储对象时(put() 方法):

1、 如果没有初始化,就调用 initTable() 方法来进行初始化; 2、 如果没有 hash 冲突就直接 CAS 无锁插入; 3、 如果需要扩容,就先进行扩容; 4、 如果存在 hash 冲突,就加锁来保证线程安全,两种情况:一种是链表形式就直接遍历到尾端插入,一种是红黑树就按照红黑树结构插入; 5、 如果该链表的数量大于阀值 8,就要先转换成红黑树的结构,break 再一次进入循环 6、 如果添加成功就调用 addCount() 方法统计 size,并且检查是否需要扩容。

4、扩容方法 transfer():默认容量为 16,扩容时,容量变为原来的两倍。

helpTransfer():调用多个工作线程一起帮助进行扩容,这样的效率就会更高。

5、获取对象时(get()方法):

1、 计算 hash 值,定位到该 table 索引位置,如果是首结点符合就返回; 2、 如果遇到扩容时,会调用标记正在扩容结点 ForwardingNode.find()方法,查找该结点,匹配就返回; 3、 以上都不符合的话,就往下遍历结点,匹配就返回,否则最后就返回 null。

21、ConcurrentHashMap 的并发度是什么? ​

程序运行时能够同时更新 ConccurentHashMap 且不产生锁竞争的最大线程数。默认为 16,且可以在构造函数中设置。当用户设置并发度时,ConcurrentHashMap 会使用大于等于该值的最小2幂指数作为实际并发度(假如用户设置并发度为17,实际并发度则为32)

22、HashMap并发问题 ​

扩容死链(1.7 会存在)

1.7 源码如下:

java
void transfer(Entry[] newTable, boolean rehash) {
    int newCapacity = newTable.length;
    for (Entry<K,V> e : table) {
        while(null != e) {
            Entry<K,V> next = e.next;
            if (rehash) {
                e.hash = null == e.key ? 0 : hash(e.key);
            }
            int i = indexFor(e.hash, newCapacity);
            e.next = newTable[i];
            newTable[i] = e;
            e = next;
        }
    }
}
  • e 和 next 都是局部变量,用来指向当前节点和下一个节点
  • 线程1(绿色)的临时变量 e 和 next 刚引用了这俩节点,还未来得及移动节点,发生了线程切换,由线程2(蓝色)完成扩容和迁移

image-20210831084325075

  • 线程2 扩容完成,由于头插法,链表顺序颠倒。但线程1 的临时变量 e 和 next 还引用了这俩节点,还要再来一遍迁移

image-20210831084723383

  • 第一次循环
    • 循环接着线程切换前运行,注意此时 e 指向的是节点 a,next 指向的是节点 b
    • e 头插 a 节点,注意图中画了两份 a 节点,但事实上只有一个(为了不让箭头特别乱画了两份)
    • 当循环结束是 e 会指向 next 也就是 b 节点

image-20210831084855348

  • 第二次循环
    • next 指向了节点 a
    • e 头插节点 b
    • 当循环结束时,e 指向 next 也就是节点 a

image-20210831085329449

  • 第三次循环
    • next 指向了 null
    • e 头插节点 a,a 的 next 指向了 b(之前 a.next 一直是 null),b 的 next 指向 a,死链已成
    • 当循环结束时,e 指向 next 也就是 null,因此第四次循环时会正常退出

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