Java面试题之Java集合框架篇（Java容器篇），29道Java集合框架八股文（1.4万字67张手绘图），面渣逆袭必看👍
前言
14554 字 67 张手绘图，详解 29 道 Java 集合框架面试高频题（让天下没有难背的八股），面渣背会这些 Java 容器八股文，这次吊打面试官，我觉得稳了（手动 dog）。整理：沉默王二，戳转载链接，作者：三分恶，戳原文链接。
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引言
1.🌟说说有哪些常见的集合框架？
- 推荐阅读：二哥的 Java 进阶之路：Java 集合框架
- 推荐阅读：阻塞队列 BlockingQueue。
集合框架可以分为两条大的支线：
①、第一条支线 Collection，主要由 List、Set、Queue 组成：
- List 代表有序、可重复的集合，典型代表就是封装了动态数组的 ArrayList 和封装了链表的 LinkedList；
- Set 代表无序、不可重复的集合，典型代表就是 HashSet 和 TreeSet；
- Queue 代表队列，典型代表就是双端队列 ArrayDeque，以及优先级队列 PriorityQueue。
②、第二条支线 Map，代表键值对的集合，典型代表就是 HashMap。
另外一个回答版本：
①、Collection 接口：最基本的集合框架表示方式，提供了添加、删除、清空等基本操作，它主要有三个子接口：
List：一个有序的集合，可以包含重复的元素。实现类包括 ArrayList、LinkedList 等。Set：一个不包含重复元素的集合。实现类包括 HashSet、LinkedHashSet、TreeSet 等。Queue：一个用于保持元素队列的集合。实现类包括 PriorityQueue、ArrayDeque 等。
②、Map 接口：表示键值对的集合，一个键映射到一个值。键不能重复，每个键只能对应一个值。Map 接口的实现类包括 HashMap、LinkedHashMap、TreeMap 等。
集合框架有哪几个常用工具类？
集合框架位于 java.util 包下，提供了两个常用的工具类：
- Collections：提供了一些对集合进行排序、二分查找、同步的静态方法。
- Arrays：提供了一些对数组进行排序、打印、和 List 进行转换的静态方法。
简单介绍一下队列
Java 中的队列主要通过 Queue 接口和并发包下的 BlockingQueue 两个接口来实现。
优先级队列 PriorityQueue 是一个无界队列，它的元素按照自然顺序排序或者 Comparator 比较器进行排序。
双端队列 ArrayDeque 是一个基于数组的，可以在两端插入和删除元素的队列。
LinkedList 实现了 Queue 接口的子类 Deque，所以也可以当做双端队列来使用。
用过哪些集合类，它们的优劣？
我常用的集合类有 ArrayList、LinkedList、HashMap、LinkedHashMap。
ArrayList 可以看作是一个动态数组，可以在需要时动态扩容数组的容量，只不过需要复制元素到新的数组。优点是访问速度快，可以通过索引直接查找到元素。缺点是插入和删除元素可能需要移动或者复制元素。
LinkedList 是一个双向链表，适合频繁的插入和删除操作。优点是插入和删除元素的时候只需要改变节点的前后指针，缺点是访问元素时需要遍历链表。
HashMap 是一个基于哈希表的键值对集合。优点是可以根据键的哈希值快速查找到值，但有可能会发生哈希冲突，并且不保留键值对的插入顺序。
LinkedHashMap 在 HashMap 的基础上增加了一个双向链表来保持键值对的插入顺序。
队列和栈的区别了解吗？
队列是一种先进先出（FIFO, First-In-First-Out）的数据结构，第一个加入队列的元素会成为第一个被移除的元素，适用于需要按顺序处理任务的场景，比如消息队列、任务调度等。
栈是一种后进先出（LIFO, Last-In-First-Out）的数据结构，最后一个加入栈的元素会成为第一个被移除的元素，适用于需要回溯的场景，比如函数调用栈、浏览器历史记录等。
哪些是线程安全的容器？
像 Vector、Hashtable、ConcurrentHashMap、CopyOnWriteArrayList、ConcurrentLinkedQueue、ArrayBlockingQueue、LinkedBlockingQueue 都是线程安全的。
Collection 继承了哪些接口？
Collection 继承了 Iterable 接口，这意味着所有实现 Collection 接口的类都必须实现 iterator() 方法，之后就可以使用增强型 for 循环遍历集合中的元素了。
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List
2.🌟ArrayList 和 LinkedList 有什么区别？
推荐阅读：二哥的 Java 进阶之路：ArrayList 和 LinkedList
ArrayList 是基于数组实现的，LinkedList 是基于链表实现的。
ArrayList 和 LinkedList 的用途有什么不同？
多数情况下，ArrayList 更利于查找，LinkedList 更利于增删。
①、由于 ArrayList 是基于数组实现的，所以 get(int index) 可以直接通过数组下标获取，时间复杂度是 O(1)；LinkedList 是基于链表实现的，get(int index) 需要遍历链表，时间复杂度是 O(n)。
当然，get(E element) 这种查找，两种集合都需要遍历通过 equals 比较获取元素，所以时间复杂度都是 O(n)。
②、ArrayList 如果增删的是数组的尾部，时间复杂度是 O(1)；如果 add 的时候涉及到扩容，时间复杂度会上升到 O(n)。
但如果插入的是中间的位置，就需要把插入位置后的元素向前或者向后移动，甚至还有可能触发扩容，效率就会低很多，变成 O(n)。
LinkedList 因为是链表结构，插入和删除只需要改变前置节点、后置节点和插入节点的引用，因此不需要移动元素。
如果是在链表的头部插入或者删除，时间复杂度是 O(1)；如果是在链表的中间插入或者删除，时间复杂度是 O(n)，因为需要遍历链表找到插入位置；如果是在链表的尾部插入或者删除，时间复杂度是 O(1)。
ArrayList 和 LinkedList 是否支持随机访问？
①、ArrayList 是基于数组的，也实现了 RandomAccess 接口，所以它支持随机访问，可以通过下标直接获取元素。
②、LinkedList 是基于链表的，所以它没法根据下标直接获取元素，不支持随机访问。
ArrayList 和 LinkedList 内存占用有何不同？
ArrayList 是基于数组的，是一块连续的内存空间，所以它的内存占用是比较紧凑的；但如果涉及到扩容，就会重新分配内存，空间是原来的 1.5 倍。
LinkedList 是基于链表的，每个节点都有一个指向下一个节点和上一个节点的引用，于是每个节点占用的内存空间比 ArrayList 稍微大一点。
ArrayList 和 LinkedList 的使用场景有什么不同？
ArrayList 适用于：
- 随机访问频繁：需要频繁通过索引访问元素的场景。
- 读取操作远多于写入操作：如存储不经常改变的列表。
- 末尾添加元素：需要频繁在列表末尾添加元素的场景。
LinkedList 适用于：
- 在列表中间频繁插入和删除元素的场景。
- 顺序访问多于随机访问的场景。
- LinkedList 可以实现队列（FIFO）和栈（LIFO）。
链表和数组有什么区别？
- 数组在内存中占用的是一块连续的存储空间，因此我们可以通过数组下标快速访问任意元素。数组在创建时必须指定大小，一旦分配内存，数组的大小就固定了。
- 链表的元素存储在于内存中的任意位置，每个节点通过指针指向下一个节点。
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3.ArrayList 的扩容机制了解吗？
了解。当往 ArrayList 中添加元素时，会先检查是否需要扩容，如果当前容量+1 超过数组长度，就会进行扩容。
扩容后的新数组长度是原来的 1.5 倍，然后再把原数组的值拷贝到新数组中。
private void grow(int minCapacity) {
// overflow-conscious code
int oldCapacity = elementData.length;
int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
if (newCapacity - minCapacity < 0)
newCapacity = minCapacity;
if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
// minCapacity is usually close to size, so this is a win:
elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
}
- Java 面试指南（付费）收录的联想面经同学 7 面试原题：Java 集合类介绍，挑一个讲原理。
4.ArrayList 怎么序列化的知道吗？
在 ArrayList 中，writeObject 方法被重写了，用于自定义序列化逻辑：只序列化有效数据，因为 elementData 数组的容量一般大于实际的元素数量，声明的时候也加了 transient 关键字。
为什么 ArrayList 不直接序列化元素数组呢？
出于效率的考虑，数组可能长度 100，但实际只用了 50，剩下的 50 没用到，也就不需要序列化。
private void writeObject(java.io.ObjectOutputStream s)
throws java.io.IOException {
// 将当前 ArrayList 的结构进行序列化
int expectedModCount = modCount;
s.defaultWriteObject(); // 序列化非 transient 字段
// 序列化数组的大小
s.writeInt(size);
// 序列化每个元素
for (int i = 0; i < size; i++) {
s.writeObject(elementData[i]);
}
// 检查是否在序列化期间发生了并发修改
if (modCount != expectedModCount) {
throw new ConcurrentModificationException();
}
}
5.快速失败fail-fast了解吗？
fail—fast 是 Java 集合的一种错误检测机制。
在用迭代器遍历集合对象时，如果线程 A 遍历过程中，线程 B 对集合对象的内容进行了修改，就会抛出 Concurrent Modification Exception。
迭代器在遍历时直接访问集合中的内容，并且在遍历过程中使用一个 modCount 变量。集合在被遍历期间如果内容发生变化，就会改变modCount的值。每当迭代器使用 hashNext()/next()遍历下一个元素之前，都会检测 modCount 变量是否为 expectedmodCount 值，是的话就返回遍历；否则抛出异常，终止遍历。
异常的抛出条件是检测到 modCount！=expectedmodCount 这个条件。如果集合发生变化时修改 modCount 值刚好又设置为了 expectedmodCount 值，则异常不会抛出。因此，不能依赖于这个异常是否抛出而进行并发操作的编程，这个异常只建议用于检测并发修改的 bug。
java.util 包下的集合类都是快速失败的，不能在多线程下发生并发修改（迭代过程中被修改），比如 ArrayList 类。
什么是安全失败（fail—safe）呢？
采用安全失败机制的集合容器，在遍历时不是直接在集合内容上访问的，而是先复制原有集合内容，在拷贝的集合上进行遍历。
原理：由于迭代时是对原集合的拷贝进行遍历，所以在遍历过程中对原集合所作的修改并不能被迭代器检测到，所以不会触发 Concurrent Modification Exception。
缺点：基于拷贝内容的优点是避免了 Concurrent Modification Exception，但同样地，迭代器并不能访问到修改后的内容，即：迭代器遍历的是开始遍历那一刻拿到的集合拷贝，在遍历期间原集合发生的修改迭代器是不知道的。
场景：java.util.concurrent 包下的容器都是安全失败，可以在多线程下并发使用，并发修改，比如 CopyOnWriteArrayList 类。
6.有哪几种实现 ArrayList 线程安全的方法？
常用的有两种。
可以使用 Collections.synchronizedList() 方法，它可以返回一个线程安全的 List。
SynchronizedList list = Collections.synchronizedList(new ArrayList());
内部是通过 synchronized 关键字加锁来实现的。
也可以直接使用 CopyOnWriteArrayList，它是线程安全的 ArrayList，遵循写时复制的原则，每当对列表进行修改时，都会创建一个新副本，这个新副本会替换旧的列表，而对旧列表的所有读取操作仍然在原有的列表上进行。
CopyOnWriteArrayList list = new CopyOnWriteArrayList();
通俗的讲，CopyOnWrite 就是当我们往一个容器添加元素的时候，不直接往容器中添加，而是先复制出一个新的容器，然后在新的容器里添加元素，添加完之后，再将原容器的引用指向新的容器。多个线程在读的时候，不需要加锁，因为当前容器不会添加任何元素。这样就实现了线程安全。
ArrayList 和 Vector 的区别？
Vector 属于 JDK 1.0 时期的遗留类，不推荐使用，仍然保留着是因为 Java 希望向后兼容。
ArrayList 是在 JDK 1.2 时引入的，用于替代 Vector 作为主要的非同步动态数组实现。因为 Vector 所有的方法都使用了 synchronized 关键字进行同步，所以单线程环境下效率较低。
- Java 面试指南（付费）收录的招商银行面经同学 6 招银网络科技面试原题：线程不安全的集合变成线程安全的方法？
- Java 面试指南（付费）收录的 比亚迪面经同学2面试原题：ArrayList 和 vector 的区别
7.CopyOnWriteArrayList 了解多少？
CopyOnWriteArrayList 就是线程安全版本的 ArrayList。
CopyOnWrite——写时复制，已经明示了它的原理。
CopyOnWriteArrayList 采用了一种读写分离的并发策略。CopyOnWriteArrayList 容器允许并发读，读操作是无锁的。至于写操作，比如说向容器中添加一个元素，首先将当前容器复制一份，然后在新副本上执行写操作，结束之后再将原容器的引用指向新容器。
Map
Map 中最重要的就是 HashMap 了，面试基本被问出包浆了，一定要好好准备。
8.🌟能说一下 HashMap 的底层数据结构吗？
JDK 8 中 HashMap 的数据结构是数组+链表+红黑树。
数组用来存储键值对，每个键值对可以通过索引直接拿到，索引是通过对键的哈希值进行进一步的 hash() 处理得到的。
当多个键经过哈希处理后得到相同的索引时，需要通过链表来解决哈希冲突——将具有相同索引的键值对通过链表存储起来。
不过，链表过长时，查询效率会比较低，于是当链表的长度超过 8 时（且数组的长度大于 64），链表就会转换为红黑树。红黑树的查询效率是 O(logn)，比链表的 O(n) 要快。
hash() 方法的目标是尽量减少哈希冲突，保证元素能够均匀地分布在数组的每个位置上。
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