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面试题--java集合

容器可以管理对象的生命周期、对象与对象之间的依赖关系，您可以使用一个配置文件（通常是XML），在上面定义好对象的名称、如何产生（Prototype 方式或Singleton 方式）、哪个对象产生之后必须设定成为某个对象的属性等，在启动容器之后，所有的对象都可以直接取用，不用编写任何一行程序代码来产生对象，或是建立对象与对象之间的依赖关系。
容器是一个Java 所编写的程序，原先必须自行编写程序以管理对象关系，现在容器都会自动帮您做好。

集合类存放于Java.util 包中，主要有 3 种：set(集）、list(列表包含Queue）和 map(映射)。

1.Collection：

Collection 是集合 List、Set、Queue 的最基本的接口。
Collection是最基本的集合接口，一个Collection代表一组Object，即Collection的元素（Elements）。一些Collection允许相同的元素而另一些不行，一些能排序而另一些不行。Java SDK不提供直接继承自Collection的类，Java SDK提供的类都是继承自Collection的“子接口”，如List和Set。
所有实现Collection接口的类都必须提供两个标准的构造函数：无参数的构造函数用于创建一个空的Collection；有一个Collection参数的构造函数用于创建一个新的Collection，这个新的Collection与传入的Collection有相同的元素。后一个构造函数允许用户复制一个Collection。
（1）List：有序，可以存放重复的内容
（2）Set：无序，不能存放重复的内容，所以的重复内容靠hashCode()和equals()两个方法区分
（3）Queue：队列接口
（4）SortedSet：可以对集合中的数据进行排序

Collection是集合框架中的一个顶层接口，它里面定义了单列集合的共性方法。

它有两个常用的子接口:

List：对元素都有定义索引。有序的。可以重复元素。
Set：不可以重复元素。无序。

Collections是集合框架中的一个工具类。该类中的方法都是静态的。提供的方法中有可以对list集合进行排序，二分查找等方法。通常常用的集合都是线程不安全的。因为要提高效率。如果多线程操作这些集合时，可以通过该工具类中的同步方法，将线程不安全的集合，转换成安全的。

2.Iterator：

迭代器，可以通过迭代器遍历集合中的数据
(迭代器接口)用于遍历集合中元素的接口，主要包含三种方法：

boolean hasNext()
    E next()
    void remove()
复制代码

它的一个子接口ListIterator在它的基础上又添加了三种方法：

void add()
    E previous()
    boolean hasPrevious()
复制代码

Iterator和Iterable的区别：

1). Iterator是迭代器接口，而Iterable是为了只要实现该接口就可以使用foreach进行迭代。
2). Iterable中封装了Iterator接口，只要实现了Iterable接口的类，就可以使用Iterator迭代器了。
3). 集合Collection、List、Set都是Iterable的实现类，所以他们及其他们的子类都可以使用foreach进行迭代。
4). Iterator中核心的方法next()、hasnext()、remove()都是依赖当前位置，如果这些集合直接实现Iterator，则必须包括当前迭代位置的指针。当集合在方法间进行传递的时候，由于当前位置不可知，所以next()之后的值，也不可知。而实现Iterable则不然，每次调用都返回一个从头开始的迭代器，各个迭代器之间互不影响。

3.Map：是映射表的基础

Map是一种把键对象和值对象进行关联的容器，而一个值对象又可以是一个Map，依次类推，这样就可形成一个多级映射。对于键对象来说，像Set一样，一个Map容器中的键对象不允许重复，这是为了保持查找结果的一致性；如果有两个键对象一样，那你想得到那个键对象所对应的值对象时就有问题了，可能你得到的并不是你想的那个值对象，结果会造成混乱，所以键的唯一性很重要，也是符合集合的性质的。当然在使用过程中，某个键所对应的值对象可能会发生变化，这时会按照最后一次修改的值对象与键对应。对于值对象则没有唯一性的要求。你可以将任意多个键都映射到一个值对象上，这不会发生任何问题（不过对你的使用却可能会造成不便，你不知道你得到的到底是那一个键所对应的值对象）。

请注意，Map没有继承Collection接口，Map提供key到value的映射。一个Map中不能包含相同的key，每个key只能映射一个value。Map接口提供3种集合的视图，Map的内容可以被当作一组key集合，一组value集合，或者一组key-value映射。

List:

Java 的 List 是非常常用的数据类型。 List 是有序的Collection 。Java List 一共三个实现类： 分别是ArrayList、Vector和LinkedList 。

ArrayList（数组） ArrayList 是最常用的 List 实现类，内部是通过数组实现的，它允许对元素进行快速随机访问。数组的 缺点是每个元素之间不能有间隔 ，当数组大小不满足时需要增加存储能力，就要将已经有数组的数据复制到新的存储空间中。当从 ArrayList 的中间位置插入或者删除元素时，需要对数组进行复制、移动、代价比较高。因此，它适合 随机查找和遍历，不适合插入和删除 。
Vector（数组实现、线程同步） Vector 与ArrayList 一样，也是通过数组实现的，不同的是它支持线程的同步，即某一时刻只有一个线程能够写 Vector，避免多线程同时写而引起的不一致性，但实现同步需要很高的花费，因此，访问它比访问ArrayList 慢。
. LinkList（链表） LinkedList 是用链表结构存储数据的，很适合数据的动态插入和删除，随机访问和遍历速度比较慢。另外，他还提供了 List 接口中没有定义的方法，专门用于操作表头和表尾元素，可以当作堆栈、队列和双向队列使用。

Set

Set 注重独一无二的性质,该体系集合用于存储无序(存入和取出的顺序不一定相同)元素，值不能重复。对象的相等性本质是对象 hashCode 值（java 是依据对象的 内存地址 计算出的此序号）判断的，如果想要让两个不同的对象视为相等的，就必须覆盖 Object 的 hashCode 方法和 equals 方法 。

HashSet（Hash 表）

哈希表边存放的是哈希值。HashSet 存储元素的顺序并不是按照存入时的顺序（和 List 显然不同）而是按照哈希值来存的所以取数据也是按照哈希值取得。元素的哈希值是通过元素的hashcode 方法来获取的, HashSet 首先判断两个元素的哈希值，如果哈希值一样，接着会比较equals 方法，如果 equls 结果为 true ，HashSet 就视为同一个元素。如果 equals 为 false 就不是同一个元素。

哈希值相同 equals 为 false 的元素是怎么存储呢,就是在同样的哈希值下顺延（可以认为哈希值相同的元素放在一个哈希桶中）。也就是哈希一样的存一列。如图 1 表示 hashCode 值不相同的情况；图 2 表示 hashCode 值相同，但 equals 不相同的情况。

HashSet 通过 hashCode 值来确定元素在内存中的位置。一个 hashCode 位置上可以存放多个元素。
TreeSet（二叉树）

TreeSet()是使用二叉树的原理对新 add()的对象按照指定的顺序排序（升序、降序），每增加一个对象都会进行排序，将对象插入的二叉树指定的位置。 Integer 和 String 对象都可以进行默认的 TreeSet 排序，而自定义类的对象是不可以的，自己定义的类必须实现Comparable 接口，并且覆写相应的 compareTo()函数，才可以正常使用。

在覆写 compare()函数时，要返回相应的值才能使 TreeSet 按照一定的规则来排序。

比较此对象与指定对象的顺序。如果该对象小于、等于或大于指定对象，则分别返回负整数、零或正整数。
LinkHashSet（HashSet+LinkedHashMap）

对于 LinkedHashSet 而言，它继承与 HashSet 、又基于 LinkedHashMap 来实现的。LinkedHashSet 底层使用 LinkedHashMap 来保存所有元素，它继承与 HashSet，其所有的方法操作上又与HashSet 相同，因此 LinkedHashSet 的实现上非常简单，只提供了四个构造方法，并通过传递一个标识参数，调用父类的构造器，底层构造一个 LinkedHashMap 来实现，在相关操作上与父类HashSet 的操作相同，直接调用父类 HashSet 的方法即可。

Map

HashMap（数组+链表+红黑树）非线程安全

HashMap 根据键的hashCode 值存储数据，大多数情况下可以直接定位到它的值，因而具有很快的访问速度，但遍历顺序却是不确定的。 HashMap 最多只允许一条记录的键为 null，允许多条记录的值为 null。

HashMap 非线程安全，即任一时刻可以有多个线程同时写 HashMap，可能会导致数据的不一致。如果需要满足线程安全，可以用 Collections 的 synchronizedMap 方法使HashMap 具有线程安全的能力，或者使用 ConcurrentHashMap。我们用下面这张图来介绍HashMap 的结构。

java7的实现：

HashMap 里面是一个数组，然后数组中每个元素是一个单向链表。上图中，每个绿色的实体是嵌套类 Entry 的实例，Entry 包含四个属性：key, value, hash 值和用于单向链表的 next。

capacity：当前数组容量，始终保持 2^n，可以扩容，扩容后数组大小为当前的 2 倍。
loadFactor：负载因子，默认为 0.75。
默认大小为16。
threshold：扩容的阈值，等于 capacity * loadFactor （当数组长度达到12(16*0.75)时进行扩容）

JAVA8 实现

Java8 对 HashMap 进行了一些修改，最大的不同就是利用了红黑树，所以其由数组+链表+红黑树组成。

根据 Java7 HashMap 的介绍，我们知道，查找的时候，根据 hash 值我们能够快速定位到数组的具体下标，但是之后的话，需要顺着链表一个个比较下去才能找到我们需要的，时间复杂度取决于链表的长度，为 O(n)。为了降低这部分的开销，在 Java8 中，当链表中的元素超过了8个以后，会将链表转换为红黑树，在这些位置进行查找的时候可以降低时间复杂度为 O(logN)。

HashMap是线程不安全的，其主要体现：

在jdk1.7中，在多线程环境下，扩容时会造成环形链或数据丢失。
在jdk1.8中，在多线程环境下，会发生数据覆盖的情况。

在开发中，我们经常使用 HashMap 容器来存储 K-V 键值对，但是在并发多线程的情况下，HashMap 容器又是不安全的，因为在 put 元素的时候，如果触发扩容操作，也就是 rehash ，就会将原数组的内容重新 hash 到新的扩容数组中，但是在扩容这个过程中，其他线程也在进行 put 操作，如果这两个元素 hash 值相同，可能出现同时在同一数组下用链表表示，造成闭环，导致在get时会出现死循环，所以HashMap是线程不安全的。

ConcurrentHashMap

Segment 段

ConcurrentHashMap 和 HashMap 思路是差不多的，但是因为它支持并发操作，所以要复杂一些。整个 ConcurrentHashMap 由一个个 Segment 组成，Segment 代表”部分“或”一段“的意思，所以很多地方都会将其描述为分段锁。注意，行文中，我很多地方用了“槽”来代表一个segment。 线程安全 （Segment 继承 ReentrantLock 加锁）

简单理解就是，ConcurrentHashMap 是一个 Segment 数组，Segment 通过继承ReentrantLock 来进行加锁，所以每次需要加锁的操作锁住的是一个 segment，这样只要保证每个 Segment 是线程安全的，也就实现了全局的线程安全。

并行度（默认 16）

concurrencyLevel：并行级别、并发数、Segment 数，怎么翻译不重要，理解它。默认是 16，也就是说 ConcurrentHashMap 有 16 个 Segments，所以理论上，这个时候，最多可以同时支持 16 个线程并发写，只要它们的操作分别分布在不同的 Segment 上。这个值可以在初始化的时候设置为其他值，但是一旦初始化以后，它是不可以扩容的。再具体到每个 Segment 内部，其实每个 Segment 很像之前介绍的 HashMap，不过它要保证线程安全，所以处理起来要麻烦些。

Java8 实现（引入了红黑树）

Java8 对 ConcurrentHashMap 进行了比较大的改动,Java8 也引入了红黑树。

1.8 中的 ConcurrentHashMap 放弃了 JDK1.7 中的分段技术，而是采用了 CAS 机制 + synchronized 来保证并发安全性，但是在 ConcurrentHashMap 实现里保留了 Segment 定义，这仅仅是为了保证序列化时的兼容性而已，并没有任何结构上的用处。

HashTable（线程安全）效率低

Hashtable 是遗留类，很多映射的常用功能与 HashMap 类似，不同的是它承自 Dictionary 类，并且是线程安全的，任一时间只有一个线程能写 Hashtable，并发性不如 ConcurrentHashMap，因为 ConcurrentHashMap 引入了分段锁。Hashtable 不建议在新代码中使用，不需要线程安全的场合可以用HashMap 替换，需要线程安全的场合可以用ConcurrentHashMap 替换。

Hashtable 是在 put、get、size 等各种方法加上“ synchronized ” 锁来保证安全，这就导致了所有并发操作都要竞争同一把锁，一个线程在进行同步操作时，其他线程只能等待，大大降低了并发操作的效率。