基础篇：Java集合，面试专用
本文转载自微信公众号「潜行前行」，面试专用作者 cscw。基础a集转载本文请联系潜行前行公众号。面试专用
没啥好说的基础a集，在座的面试专用各位都是靓仔
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
操作方法 抛出异常 阻塞线程 返回特殊值 超时退出 插入元素 add(e) put(e) offer(e) offer(e, timeout, unit) 移除元素 remove() take() poll() pull(timeout, unit) 检查 element() peek() 无 无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，基础a集一种是面试专用数组，一种是基础a集链表，而链表的面试专用实现继承了 Collection。数组和集合的基础a集区别： 数组大小是固定，集合是面试专用可变的 数组的元素可以基本类型也可以是引用类型，而集合只能是基础a集引用类型ArrayList
ArrayList底层是使用一个可动态扩容的数组，与普通数组的面试专用区别就是它是没有固定大小的限制，可以添加或删除元素 它的源码库基础a集特点就是读速度、更新快，面试专用增删慢;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 //ArrayList openJDK 13 private void add(E e, Object[] elementData, int s) { if (s == elementData.length) //放不下了 elementData = grow(); // 扩容 elementData[s] = e; size = s + 1; } private Object[] grow() { return grow(size + 1); } private Object[] grow(int minCapacity) { int oldCapacity = elementData.length; if (oldCapacity > 0 || elementData != DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) { int newCapacity = ArraysSupport.newLength(oldCapacity, minCapacity - oldCapacity, // minCapacity - oldCapacity == 1 oldCapacity >> 1 ); // oldCapacity == 1/2 oldCapacity return elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity); } else { return elementData = new Object[Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity)]; } } 如果当前元素放不下，则扩容至 1.5 倍，且大于等于 1 // ArraysSupport.newLength public static int newLength(int oldLength, int minGrowth, int prefGrowth) { //prefGrowth 是 oldLength 的 1/2，minGrowth 是 1。因此 newLength = 1.5 oldLength int newLength = Math.max(minGrowth, prefGrowth) + oldLength; if (newLength - MAX_ARRAY_LENGTH <= 0) { // MAX_ARRAY_LENGTH = Integer.MAX_VALUE - 8 return newLength; } return hugeLength(oldLength, minGrowth); }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 public static class LRU<T> { //默认的缓存大小 private int CAPACITY = 0; //引用一个双向链接表 private LinkedList<T> list; //构造函数 public LRU(int capacity) { this.CAPACITY = capacity; list = new LinkedList(); } //添加一个元素 public synchronized void put(T object) { if (list != null && list.contains(object)) { list.remove(object); } removeLeastVisitElement(); list.addFirst(object); } //移除最近访问次数最少的元素 private void removeLeastVisitElement() { int size = list.size(); //注意，这儿必须得是CAPACITY - 1否则所获的size比原来大1 if (size > (CAPACITY - 1)) { Object object = list.removeLast(); } } //获取第N个索引下面的站群服务器元素 public T get(int index) { return list.get(index); } } LinkedList 的 API public E getFirst() //获取第一个元素 public E getLast() //获取最后一个元素 public E removeFirst() // 移除第一个元素，并返回 public E removeLast() // 移除最后一个元素，并返回 public void addFirst(E e) //加入头部 public void addLast(E e) //加入尾部 public void add(E e) //加入尾部 public boolean contains(Object o) //是否包含 元素 o public E peek() //获取头部第一个元素 public E element() // 获取头部第一个元素,不存在则报错 public E poll() //获取头部第一个元素，并移除 public boolean offer(E e) // 调用 add(E e) public boolean offerFirst(E e) // 调用 addFirst public boolean offerLast(E e) // 调用 addLast public void push(E e) //在头部压入一个元素 public E pop() //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LinkedListIterator 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云南idc服务商修改操作都基于 《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 public class CopyOnWriteArrayList<E> implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable { //可重入锁 final transient ReentrantLock lock = new ReentrantLock(); //数组，仅通过get和set方法操作 private transient volatile Object[] array; .... public boolean add(E e) { final ReentrantLock lock = this.lock; lock.lock(); try { Object[] elements = getArray();//拿到当前数组 int len = elements.length;//获得长度 //拷贝当前数组 Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1); newElements[len] = e; setArray(newElements); //调用set方法将新数组设置为当前数组 return true; } finally { lock.unlock();//解锁 } } 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 CopyOnWriteArrayListList的API示例
boolean contains(Object o) // 是否包含 o boolean isEmpty(); // 是否为空 int size(); //集合元素 Iterator<E> iterator(); // 返回迭代器 Object[] toArray(); // 转为 Object数组 <T> T[] toArray(T[] a); // 转为具体类型数组 boolean add(E e); // 加入尾部 boolean remove(Object o); // 移除 o boolean containsAll(Collection<?> c); //是否报考 集合 c boolean addAll(Collection<? extends E> c);// 合并 c boolean retainAll(Collection<?> c);//保留只存在集合 c 的元素 void clear(); // 清除集合元素 void sort(Comparator<? super E> c) //根据 Comparator 排序 E get(int index); // 根据下标获取 元素 E set(int index, E element); // 设置第 index 的元素 E remove(int index); // 移除 第 index 的元素 <E> List<E> of(E e1.....) // jdk 9 List<E> copyOf(Collection<? extends E> coll) // 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
boolean synchronized contains(Object o); boolean synchronized isEmpty(); boolean synchronized containsAll(Collection<?> c); boolean addAll(Collection<? extends E> c); public synchronized boolean add(E e) public synchronized E get(int index); public synchronized E set(int index, E element); public synchronized E firstElement() public synchronized void removeElementAt(int index) public synchronized E lastElement() public synchronized void setElementAt(E obj, int index) public synchronized E remove(int index) public void clear() Iterator<E> iterator();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
public E push(E item) //推入栈顶 public synchronized E pop() // 弹出栈顶元素，不存在则报错 public synchronized E peek() // 获取栈顶元素，不移除 public boolean empty() // 栈是否为空 public synchronized int search(Object o) // 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ThreadLocalConcurrentHashMap(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 K lowerKey(K key) // 找到第一个比指定的key小的值 K floorKey(K key) // 找到第一个比指定的key小于或等于的key K ceilingKey(K key) // 找到第一个大于或等于指定key的值 K higherKey(K key) // 找到第一个大于指定key的值 Map.Entry<K,V> firstEntry() // 获取最小值 Map.Entry<K,V> lastEntry() // 获取最大值 Map.Entry<K,V> pollFirstEntry() // 删除最小的元素 Map.Entry<K,V> pollLastEntry() // 删除最大的元素 NavigableMap<K,V> descendingMap() //返回一个倒序的Map // 返回值小于 toKey 的 NavigableMap NavigableMap<K,V> headMap(K toKey, boolean inclusive) // 返回值大于 fromKey 的 NavigableMap NavigableMap<K,V> tailMap(K fromKey, boolean inclusive) // 返回值小于 toKey 大于 的 fromKey NavigableMap NavigableMap<K,V> subMap(K fromKey, boolean fromInclusive, K toKey, boolean toInclusive)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 void and(BitSet set) // 两个BitSet 做与操作，结果并存入当前 BitSet void andNot(BitSet set) // 两个BitSet 与非操作 void flip(int index) // 反转某一个指定 index boolean intersects(BitSet bitSet) // 是否有交集 int cardinality() //返回 true/1 的个数 void clear() // 重置 void clear(int startIndex, int endIndex) // startIndex~endIndex 重置 int nextSetBit(int startIndex) //检索在startIndex之后出现为1的第一位的索引 int nextClearBit(int startIndex) //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PriorityQueueBlockingQueue
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
boolean add(E e); //加入队列尾部 boolean offer(E e); // 加入队列尾部，并返回结果 E remove(); //移除头部元素 E poll(); // 获取头部元素，并移除 E element(); // 获取头部元素，不存在则报错 E peek(); // 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，LinkedBlockingDequeDeque的 API
void addFirst(E e); //加入头部 void addLast(E e); //加入尾部 boolean offerFirst(E e); //加入头部，并返回结果 boolean offerLast(E e); //加入尾部，并返回结果 E removeFirst(); // 移除第一个元素 E removeLast(); // 移除最后一个元素 E getFirst(); //获取第一个元素,不存在则报错 E getLast(); //获取最后一个元素,不存在则报错 E pollFirst(); //获取第一个元素,并移除 E pollLast(); //获取最后一个元素,并移除 E peekFirst(); //获取第一个元素 E peekLast(); // 获取最后一个元素 void push(E e); //加入头部 E pop(); //弹出头部元素参考文章
java集合超详解