Java工程师面试题-Java语言-集合类

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Java工程师面试题

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Java中有哪些容器（集合类）？

参考答案

Java中的集合类主要由Collection和Map这两个接口派生而出，其中Collection接口又派生出三个子接口，分别是Set、List、Queue。所有的Java集合类，都是Set、List、Queue、Map这四个接口的实现类，这四个接口将集合分成了四大类，其中

  • Set代表无序的，元素不可重复的集合；
  • List代表有序的，元素可以重复的集合；
  • Queue代表先进先出（FIFO）的队列；
  • Map代表具有映射关系（key-value）的集合。

这些接口拥有众多的实现类，其中最常用的实现类有HashSet、TreeSet、ArrayList、LinkedList、ArrayDeque、HashMap、TreeMap等。

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Collection体系的继承树：

Map体系的继承树：

注：紫色框体代表接口，其中加粗的是代表四类集合的接口。蓝色框体代表实现类，其中有阴影的是常用实现类。

Java中的容器，线程安全和线程不安全的分别有哪些？

参考答案

java.util包下的集合类大部分都是线程不安全的，例如我们常用的HashSet、TreeSet、ArrayList、LinkedList、ArrayDeque、HashMap、TreeMap，这些都是线程不安全的集合类，但是它们的优点是性能好。如果需要使用线程安全的集合类，则可以使用Collections工具类提供的synchronizedXxx()方法，将这些集合类包装成线程安全的集合类。

java.util包下也有线程安全的集合类，例如Vector、Hashtable。这些集合类都是比较古老的API，虽然实现了线程安全，但是性能很差。所以即便是需要使用线程安全的集合类，也建议将线程不安全的集合类包装成线程安全集合类的方式，而不是直接使用这些古老的API。

从Java5开始，Java在java.util.concurrent包下提供了大量支持高效并发访问的集合类，它们既能包装良好的访问性能，有能包装线程安全。这些集合类可以分为两部分，它们的特征如下：

  • 以Concurrent开头的集合类：

    以Concurrent开头的集合类代表了支持并发访问的集合，它们可以支持多个线程并发写入访问，这些写入线程的所有操作都是线程安全的，但读取操作不必锁定。以Concurrent开头的集合类采用了更复杂的算法来保证永远不会锁住整个集合，因此在并发写入时有较好的性能。

  • 以CopyOnWrite开头的集合类：

    以CopyOnWrite开头的集合类采用复制底层数组的方式来实现写操作。当线程对此类集合执行读取操作时，线程将会直接读取集合本身，无须加锁与阻塞。当线程对此类集合执行写入操作时，集合会在底层复制一份新的数组，接下来对新的数组执行写入操作。由于对集合的写入操作都是对数组的副本执行操作，因此它是线程安全的。

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java.util.concurrent包下线程安全的集合类的体系结构：

Map接口有哪些实现类？

参考答案

Map接口有很多实现类，其中比较常用的有HashMap、LinkedHashMap、TreeMap、ConcurrentHashMap。

对于不需要排序的场景，优先考虑使用HashMap，因为它是性能最好的Map实现。如果需要保证线程安全，则可以使用ConcurrentHashMap。它的性能好于Hashtable，因为它在put时采用分段锁/CAS的加锁机制，而不是像Hashtable那样，无论是put还是get都做同步处理。

对于需要排序的场景，如果需要按插入顺序排序则可以使用LinkedHashMap，如果需要将key按自然顺序排列甚至是自定义顺序排列，则可以选择TreeMap。如果需要保证线程安全，则可以使用Collections工具类将上述实现类包装成线程安全的Map。

描述一下Map put的过程

参考答案

HashMap是最经典的Map实现，下面以它的视角介绍put的过程：

  1. 首次扩容：

    先判断数组是否为空，若数组为空则进行第一次扩容（resize）；

  2. 计算索引：

    通过hash算法，计算键值对在数组中的索引；

  3. 插入数据：

    • 如果当前位置元素为空，则直接插入数据；
    • 如果当前位置元素非空，且key已存在，则直接覆盖其value；
    • 如果当前位置元素非空，且key不存在，则将数据链到链表末端；
    • 若链表长度达到8，则将链表转换成红黑树，并将数据插入树中；

  4. 再次扩容

    如果数组中元素个数（size）超过threshold，则再次进行扩容操作。

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HashMap添加数据的详细过程，如下图：

如何得到一个线程安全的Map？

参考答案

  1. 使用Collections工具类，将线程不安全的Map包装成线程安全的Map；
  2. 使用java.util.concurrent包下的Map，如ConcurrentHashMap；
  3. 不建议使用Hashtable，虽然Hashtable是线程安全的，但是性能较差。

HashMap有什么特点？

参考答案

  1. HashMap是线程不安全的实现；
  2. HashMap可以使用null作为key或value。

JDK7和JDK8中的HashMap有什么区别？

参考答案

JDK7中的HashMap，是基于数组+链表来实现的，它的底层维护一个Entry数组。它会根据计算的hashCode将对应的KV键值对存储到该数组中，一旦发生hashCode冲突，那么就会将该KV键值对放到对应的已有元素的后面， 此时便形成了一个链表式的存储结构。

JDK7中HashMap的实现方案有一个明显的缺点，即当Hash冲突严重时，在桶上形成的链表会变得越来越长，这样在查询时的效率就会越来越低，其时间复杂度为O(N)。

JDK8中的HashMap，是基于数组+链表+红黑树来实现的，它的底层维护一个Node数组。当链表的存储的数据个数大于等于8的时候，不再采用链表存储，而采用了红黑树存储结构。这么做主要是在查询的时间复杂度上进行优化，链表为O(N)，而红黑树一直是O(logN)，可以大大的提高查找性能。

补充

HashMap结构图

在 JDK1.7 及之前的版本中， HashMap 又叫散列链表：基于一个数组以及多个链表的实现，hash值冲突的时候， 就将对应节点以链表的形式存储。

其下基于 JDK1.7.0_80 与 JDK1.8.0_66 做的分析

JDK1.7中

使用一个 Entry 数组来存储数据，用key的 hashcode 取模来决定key会被放到数组里的位置，如果 hashcode 相 同，或者 hashcode 取模后的结果相同（ hash collision ），那么这些 key 会被定位到 Entry 数组的同一个 格子里，这些 key 会形成一个链表。

在 hashcode 特别差的情况下，比方说所有key的 hashcode 都相同，这个链表可能会很长，那么 put/get 操作 都可能需要遍历这个链表，也就是说时间复杂度在最差情况下会退化到 O(n)

JDK1.8中

使用一个 Node 数组来存储数据，但这个 Node 可能是链表结构，也可能是红黑树结构

  • 如果插入的 key 的 hashcode 相同，那么这些key也会被定位到 Node 数组的同一个格子里。
  • 如果同一个格子里的key不超过8个，使用链表结构存储。
  • 如果超过了8个，那么会调用 treeifyBin 函数，将链表转换为红黑树。

那么即使 hashcode 完全相同，由于红黑树的特点，查找某个特定元素，也只需要O(log n)的开销 ,也就是说put/get的操作的时间复杂度最差只有 O(log n) 听起来挺不错，但是真正想要利用 JDK1.8 的好处，有一个限制： key的对象，必须正确的实现了 Compare 接口 如果没有实现 Compare 接口，或者实现得不正确（比方说所有 Compare 方法都返回0） 那 JDK1.8 的 HashMap 其实还是慢于 JDK1.7 的

简单的测试数据如下：

向 HashMap 中 put/get 1w 条 hashcode 相同的对象

JDK1.7: put 0.26s ， get 0.55s

JDK1.8 （未实现 Compare 接口）： put 0.92s ， get 2.1s

但是如果正确的实现了 Compare 接口，那么 JDK1.8 中的 HashMap 的性能有巨大提升，这次 put/get 100W条 hashcode 相同的对象

JDK1.8 （正确实现 Compare 接口，）： put/get 大概开销都在320 ms 左右

介绍一下HashMap底层的实现原理

参考答案

它基于hash算法，通过put方法和get方法存储和获取对象。

存储对象时，我们将K/V传给put方法时，它调用K的hashCode计算hash从而得到bucket位置，进一步存储，HashMap会根据当前bucket的占用情况自动调整容量(超过Load Facotr则resize为原来的2倍)。获取对象时，我们将K传给get，它调用hashCode计算hash从而得到bucket位置，并进一步调用equals()方法确定键值对。

如果发生碰撞的时候，HashMap通过链表将产生碰撞冲突的元素组织起来。在Java 8中，如果一个bucket中碰撞冲突的元素超过某个限制(默认是8)，则使用红黑树来替换链表，从而提高速度。

介绍一下HashMap的扩容机制

参考答案

  1. 数组的初始容量为16，而容量是以2的次方扩充的，一是为了提高性能使用足够大的数组，二是为了能使用位运算代替取模预算(据说提升了5~8倍)。
  2. 数组是否需要扩充是通过负载因子判断的，如果当前元素个数为数组容量的0.75时，就会扩充数组。这个0.75就是默认的负载因子，可由构造器传入。我们也可以设置大于1的负载因子，这样数组就不会扩充，牺牲性能，节省内存。
  3. 为了解决碰撞，数组中的元素是单向链表类型。当链表长度到达一个阈值时（7或8），会将链表转换成红黑树提高性能。而当链表长度缩小到另一个阈值时（6），又会将红黑树转换回单向链表提高性能。
  4. 对于第三点补充说明，检查链表长度转换成红黑树之前，还会先检测当前数组数组是否到达一个阈值（64），如果没有到达这个容量，会放弃转换，先去扩充数组。所以上面也说了链表长度的阈值是7或8，因为会有一次放弃转换的操作。

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例如我们从16扩展为32时，具体的变化如下所示：

因此元素在重新计算hash之后，因为n变为2倍，那么n-1的mask范围在高位多1bit(红色)，因此新的index就会发生这样的变化：

因此，我们在扩充HashMap的时候，不需要重新计算hash，只需要看看原来的hash值新增的那个bit是1还是0就好了，是0的话索引没变，是1的话索引变成“原索引+oldCap”。可以看看下图为16扩充为32的resize示意图：

这个设计确实非常的巧妙，既省去了重新计算hash值的时间，而且同时，由于新增的1bit是0还是1可以认为是随机的，因此resize的过程，均匀的把之前的冲突的节点分散到新的bucket了。

补充：HashMap的扩容过程

当向容器添加元素的时候，会判断当前容器的元素个数，如果大于等于阈值(yu)—即当前数组的长度乘以加载因子的值的时候，就要自动扩容啦。

扩容( resize )就是重新计算容量，向 HashMap 对象里不停的添加元素，而 HashMap 对象内部的数组无法装载更 多的元素时，对象就需要扩大数组的长度，以便能装入更多的元素。当然 java 里的数组是无法自动扩容的，方法 是使用一个新的数组代替已有的容量小的数组。

HashMap hashMap=new HashMap(cap);
  • cap =3， hashMap 的容量为4;
  • cap =4， hashMap 的容量为4;
  • cap=5， 的容量为8;
  • cap =9， hashMap 的容量为16;
  • 如果 cap 是2的n次方，则容量为 cap ，否则为大于 cap 的第一个2的n次方的数。

HashMap中的循环链表是如何产生的？

参考答案

在多线程的情况下，当重新调整HashMap大小的时候，就会存在条件竞争，因为如果两个线程都发现HashMap需要重新调整大小了，它们会同时试着调整大小。在调整大小的过程中，存储在链表中的元素的次序会反过来，因为移动到新的bucket位置的时候，HashMap并不会将元素放在链表的尾部，而是放在头部，这是为了避免尾部遍历。如果条件竞争发生了，那么就会产生死循环了。

HashMap为什么用红黑树而不用B树？

参考答案

B/B+树多用于外存上时，B/B+也被成为一个磁盘友好的数据结构。

HashMap本来是数组+链表的形式，链表由于其查找慢的特点，所以需要被查找效率更高的树结构来替换。如果用B/B+树的话，在数据量不是很多的情况下，数据都会“挤在”一个结点里面，这个时候遍历效率就退化成了链表。

HashMap为什么线程不安全？

参考答案

HashMap在并发执行put操作时，可能会导致形成循环链表，从而引起死循环。

补充

如果有两个线程A和B，都进行插入数据，刚好这两条不同的数据经过哈希计算后得到的哈希码是一样的，且该位 置还没有其他的数据。所以这两个线程都会进入我在上面标记为1的代码中。假设一种情况，线程A通过if判断，该 位置没有哈希冲突，进入了if语句，还没有进行数据插入，这时候 CPU 就把资源让给了线程B，线程A停在了if语句 里面，线程B判断该位置没有哈希冲突(线程A的数据还没插入)，也进入了if语句，线程B执行完后，轮到线程A执 行，现在线程A直接在该位置插入而不用再判断。这时候，你会发现线程A把线程B插入的数据给覆盖了。发生了线 程不安全情况。本来在 HashMap 中，发生哈希冲突是可以用链表法或者红黑树来解决的，但是在多线程中，可能 就直接给覆盖了。

上面所说的是一个图来解释可能更加直观。如下面所示，两个线程在同一个位置添加数据，后面添加的数据就覆盖住了前面添加的。

如果上述插入是插入到链表上，如两个线程都在遍历到最后一个节点，都要在最后添加一个数据，那么后面添加数据的线程就会把前面添加的数据给覆盖住。则

在扩容的时候也可能会导致数据不一致，因为扩容是从一个数组拷贝到另外一个数组。

HashMap如何实现线程安全？

参考答案

  1. 直接使用Hashtable类；
  2. 直接使用ConcurrentHashMap；
  3. 使用Collections将HashMap包装成线程安全的Map。

HashMap是如何解决哈希冲突的？

参考答案

为了解决碰撞，数组中的元素是单向链表类型。当链表长度到达一个阈值时，会将链表转换成红黑树提高性能。而当链表长度缩小到另一个阈值时，又会将红黑树转换回单向链表提高性能。

说一说HashMap和HashTable的区别

参考答案

  1. Hashtable是一个线程安全的Map实现，但HashMap是线程不安全的实现，所以HashMap比Hashtable的性能高一点。
  2. Hashtable不允许使用null作为key和value，如果试图把null值放进Hashtable中，将会引发空指针异常，但HashMap可以使用null作为key或value。

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从Hashtable的类名上就可以看出它是一个古老的类，它的命名甚至没有遵守Java的命名规范：每个单词的首字母都应该大写。也许当初开发Hashtable的工程师也没有注意到这一点，后来大量Java程序中使用了Hashtable类，所以这个类名也就不能改为HashTable了，否则将导致大量程序需要改写。

与Vector类似的是，尽量少用Hashtable实现类，即使需要创建线程安全的Map实现类，也无须使用Hashtable实现类，可以通过Collections工具类把HashMap变成线程安全的Map。

补充

区别 ：

  • HashMap方法没有synchronized修饰，线程非安全，HashTable线程安全；
  • HashMap允许key和value为null，而HashTable不允许

底层实现：数组+链表实现

jdk8开始链表高度到8、数组长度超过64，链表转变为红黑树，元素以内部类Node节点存在

计算key的hash值，二次hash然后对数组长度取模，对应到数组下标， 如果没有产生hash冲突(下标位置没有元素)，则直接创建Node存入数组， 如果产生hash冲突，先进行equal比较，相同则取代该元素，不同，则判断链表高度插入链表，链表高度达到8，并且数组长度到64则转变为红黑树，长度低于6则将红黑树转回链表,key为null，存在下标0的位置

HashMap与ConcurrentHashMap有什么区别？

参考答案

HashMap是非线程安全的，这意味着不应该在多线程中对这些Map进行修改操作，否则会产生数据不一致的问题，甚至还会因为并发插入元素而导致链表成环，这样在查找时就会发生死循环，影响到整个应用程序。

Collections工具类可以将一个Map转换成线程安全的实现，其实也就是通过一个包装类，然后把所有功能都委托给传入的Map，而包装类是基于synchronized关键字来保证线程安全的（Hashtable也是基于synchronized关键字），底层使用的是互斥锁，性能与吞吐量比较低。

ConcurrentHashMap的实现细节远没有这么简单，因此性能也要高上许多。它没有使用一个全局锁来锁住自己，而是采用了减少锁粒度的方法，尽量减少因为竞争锁而导致的阻塞与冲突，而且ConcurrentHashMap的检索操作是不需要锁的。

介绍一下ConcurrentHashMap是怎么实现的？

参考答案

JDK 1.7中的实现：

在 jdk 1.7 中，ConcurrentHashMap 是由 Segment 数据结构和 HashEntry 数组结构构成，采取分段锁来保证安全性。Segment 是 ReentrantLock 重入锁，在 ConcurrentHashMap 中扮演锁的角色，HashEntry 则用于存储键值对数据。一个 ConcurrentHashMap 里包含一个 Segment 数组，一个 Segment 里包含一个 HashEntry 数组，Segment 的结构和 HashMap 类似，是一个数组和链表结构。

JDK 1.8中的实现：

JDK1.8 的实现已经摒弃了 Segment 的概念，而是直接用 Node 数组+链表+红黑树的数据结构来实现，并发控制使用 Synchronized 和 CAS 来操作，整个看起来就像是优化过且线程安全的 HashMap，虽然在 JDK1.8 中还能看到 Segment 的数据结构，但是已经简化了属性，只是为了兼容旧版本。

补充

jdk7

数据结构：ReentrantLock+Segment+HashEntry，一个Segment中包含一个HashEntry数组，每个 HashEntry又是一个链表结构

元素查询：二次hash，第一次Hash定位到Segment，第二次Hash定位到元素所在的链表的头部

锁：Segment分段锁 Segment继承了ReentrantLock，锁定操作的Segment，其他的Segment不受影 响，并发度为segment个数，可以通过构造函数指定，数组扩容不会影响其他的segment

get方法无需加锁，volatile保证

jdk8

数据结构：synchronized+CAS+Node+红黑树，Node的val和next都用volatile修饰，保证可见性

查找，替换，赋值操作都使用CAS

锁：锁链表的head节点，不影响其他元素的读写，锁粒度更细，效率更高，扩容时，阻塞所有的读写 操作、并发扩容

读操作无锁：
Node的val和next使用volatile修饰，读写线程对该变量互相可见
数组用volatile修饰，保证扩容时被读线程感知

ConcurrentHashMap是怎么分段分组的？

参考答案

get操作：

Segment的get操作实现非常简单和高效，先经过一次再散列，然后使用这个散列值通过散列运算定位到 Segment，再通过散列算法定位到元素。get操作的高效之处在于整个get过程都不需要加锁，除非读到空的值才会加锁重读。原因就是将使用的共享变量定义成 volatile 类型。

put操作：

当执行put操作时，会经历两个步骤：

  1. 判断是否需要扩容；
  2. 定位到添加元素的位置，将其放入 HashEntry 数组中。

插入过程会进行第一次 key 的 hash 来定位 Segment 的位置，如果该 Segment 还没有初始化，即通过 CAS 操作进行赋值，然后进行第二次 hash 操作，找到相应的 HashEntry 的位置，这里会利用继承过来的锁的特性，在将数据插入指定的 HashEntry 位置时（尾插法），会通过继承 ReentrantLock 的 tryLock() 方法尝试去获取锁，如果获取成功就直接插入相应的位置，如果已经有线程获取该Segment的锁，那当前线程会以自旋的方式去继续的调用 tryLock() 方法去获取锁，超过指定次数就挂起，等待唤醒。

说一说你对LinkedHashMap的理解

参考答案

LinkedHashMap使用双向链表来维护key-value对的顺序（其实只需要考虑key的顺序），该链表负责维护Map的迭代顺序，迭代顺序与key-value对的插入顺序保持一致。

LinkedHashMap可以避免对HashMap、Hashtable里的key-value对进行排序（只要插入key-value对时保持顺序即可），同时又可避免使用TreeMap所增加的成本。

LinkedHashMap需要维护元素的插入顺序，因此性能略低于HashMap的性能。但因为它以链表来维护内部顺序，所以在迭代访问Map里的全部元素时将有较好的性能。

请介绍LinkedHashMap的底层原理

参考答案

LinkedHashMap继承于HashMap，它在HashMap的基础上，通过维护一条双向链表，解决了HashMap不能随时保持遍历顺序和插入顺序一致的问题。在实现上，LinkedHashMap很多方法直接继承自HashMap，仅为维护双向链表重写了部分方法。

如下图，淡蓝色的箭头表示前驱引用，红色箭头表示后继引用。每当有新的键值对节点插入时，新节点最终会接在tail引用指向的节点后面。而tail引用则会移动到新的节点上，这样一个双向链表就建立起来了。

补充

LinkedHashMap 的应用：

基于 LinkedHashMap 的访问顺序的特点，可构造一个 LRU（Least Recently Used） 最近最少使用简单缓存。 也有一些开源的缓存产品如 ehcache 的淘汰策略（ LRU ）就是在 LinkedHashMap 上扩展的。

请介绍TreeMap的底层原理

参考答案

TreeMap基于红黑树（Red-Black tree）实现。映射根据其键的自然顺序进行排序，或者根据创建映射时提供的 Comparator 进行排序，具体取决于使用的构造方法。TreeMap的基本操作containsKey、get、put、remove方法，它的时间复杂度是log(N)。

TreeMap包含几个重要的成员变量：root、size、comparator。其中root是红黑树的根节点。它是Entry类型，Entry是红黑树的节点，它包含了红黑树的6个基本组成：key、value、left、right、parent和color。Entry节点根据根据Key排序，包含的内容是value。Entry中key比较大小是根据比较器comparator来进行判断的。size是红黑树的节点个数。

Map和Set有什么区别？

参考答案

Set代表无序的，元素不可重复的集合；

Map代表具有映射关系（key-value）的集合，其所有的key是一个Set集合，即key无序且不能重复。

List和Set有什么区别？

参考答案

Set代表无序的，元素不可重复的集合；

List代表有序的，元素可以重复的集合。

ArrayList和LinkedList有什么区别？

参考答案

  1. ArrayList的实现是基于数组，LinkedList的实现是基于双向链表；
  2. 对于随机访问ArrayList要优于LinkedList，ArrayList可以根据下标以O(1)时间复杂度对元素进行随机访问，而LinkedList的每一个元素都依靠地址指针和它后一个元素连接在一起，查找某个元素的时间复杂度是O(N)；
  3. 对于插入和删除操作，LinkedList要优于ArrayList，因为当元素被添加到LinkedList任意位置的时候，不需要像ArrayList那样重新计算大小或者是更新索引；
  4. LinkedList比ArrayList更占内存，因为LinkedList的节点除了存储数据，还存储了两个引用，一个指向前一个元素，一个指向后一个元素。

补充

  • ArrayList：基于动态数组，连续内存存储，适合下标访问（随机访问），扩容机制：因为数组长度固定，超出长度存数据时需要新建数组，然后将老数组的数据拷贝到新数组，如果不是尾部插入数据还会 涉及到元素的移动（往后复制一份，插入新元素），使用尾插法并指定初始容量可以极大提升性能、甚 至超过linkedList（需要创建大量的node对象）
  • LinkedList：基于链表，可以存储在分散的内存中，适合做数据插入及删除操作，不适合查询：需要逐 一遍历

遍历LinkedList必须使用iterator不能使用for循环，因为每次for循环体内通过get(i)取得某一元素时都需 要对list重新进行遍历，性能消耗极大。
另外不要试图使用indexOf等返回元素索引，并利用其进行遍历，使用indexlOf对list进行了遍历，当结果为空时会遍历整个列表。

补充：ArrayList、Vector、LinkedList 的存储性能和特性

ArrayList 和 Vector 都是使用数组方式存储数据，此数组元素数大于实际 存储的数据以便增加和插入元素，它们都允许直接按序号索引元素，但是插入 元素要涉及数组元素移动等内存操作，所以索引数据快而插入数据慢，Vector中的方法由于添加了 synchronized 修饰，因此 Vector 是线程安全的容器，但 性能上较 ArrayList 差，因此已经是 java 中的遗留容器。

LinkedList 使用双 向链表实现存储(将内存中零散的内存单元通过附加的引用关联起来，形成一 个可以按序号索引的线性结构，这种链式存储方式与数组的连续存储方式相 比，内存的利用率更高)，按序号索引数据需要进行前向或后向遍历，但是插 入数据时只需要记录本项的前后项即可，所以插入速度较快。

Vector 属于遗留 容器(java 早期的版本中提供的容器，除此之外，Hashtable、Dictionary、BitSet、Stack、Properties 都是遗留容器)，已经不推荐使用，但是由于ArrayList 和 LinkedListed 都是非线程安全的，如果遇到多个线程操作同一个容器的场景，则可以通过工具类 Collections 中的 synchronizedList 方法将其 转换成线程安全的容器后再使用(这是对装潢模式的应用，将已有对象传入另 一个类的构造器中创建新的对象来增强实现)。

有哪些线程安全的List？

参考答案

  1. Vector

    Vector是比较古老的API，虽然保证了线程安全，但是由于效率低一般不建议使用。

  2. Collections.SynchronizedList

    SynchronizedList是Collections的内部类，Collections提供了synchronizedList方法，可以将一个线程不安全的List包装成线程安全的List，即SynchronizedList。它比Vector有更好的扩展性和兼容性，但是它所有的方法都带有同步锁，也不是性能最优的List。

  3. CopyOnWriteArrayList

    CopyOnWriteArrayList是Java 1.5在java.util.concurrent包下增加的类，它采用复制底层数组的方式来实现写操作。当线程对此类集合执行读取操作时，线程将会直接读取集合本身，无须加锁与阻塞。当线程对此类集合执行写入操作时，集合会在底层复制一份新的数组，接下来对新的数组执行写入操作。由于对集合的写入操作都是对数组的副本执行操作，因此它是线程安全的。在所有线程安全的List中，它是性能最优的方案。

介绍一下ArrayList的数据结构？

参考答案

ArrayList的底层是用数组来实现的，默认第一次插入元素时创建大小为10的数组，超出限制时会增加50%的容量，并且数据以 System.arraycopy() 复制到新的数组，因此最好能给出数组大小的预估值。

按数组下标访问元素的性能很高，这是数组的基本优势。直接在数组末尾加入元素的性能也高，但如果按下标插入、删除元素，则要用 System.arraycopy() 来移动部分受影响的元素，性能就变差了，这是基本劣势。

谈谈CopyOnWriteArrayList的原理

参考答案

CopyOnWriteArrayList是Java并发包里提供的并发类，简单来说它就是一个线程安全且读操作无锁的ArrayList。正如其名字一样，在写操作时会复制一份新的List，在新的List上完成写操作，然后再将原引用指向新的List。这样就保证了写操作的线程安全。

CopyOnWriteArrayList允许线程并发访问读操作，这个时候是没有加锁限制的，性能较高。而写操作的时候，则首先将容器复制一份，然后在新的副本上执行写操作，这个时候写操作是上锁的。结束之后再将原容器的引用指向新容器。注意，在上锁执行写操作的过程中，如果有需要读操作，会作用在原容器上。因此上锁的写操作不会影响到并发访问的读操作。

  • 优点：读操作性能很高，因为无需任何同步措施，比较适用于读多写少的并发场景。在遍历传统的List时，若中途有别的线程对其进行修改，则会抛出ConcurrentModificationException异常。而CopyOnWriteArrayList由于其”读写分离”的思想，遍历和修改操作分别作用在不同的List容器，所以在使用迭代器进行遍历时候，也就不会抛出ConcurrentModificationException异常了。
  • 缺点：一是内存占用问题，毕竟每次执行写操作都要将原容器拷贝一份，数据量大时，对内存压力较大，可能会引起频繁GC。二是无法保证实时性，Vector对于读写操作均加锁同步，可以保证读和写的强一致性。而CopyOnWriteArrayList由于其实现策略的原因，写和读分别作用在新老不同容器上，在写操作执行过程中，读不会阻塞但读取到的却是老容器的数据。

说一说TreeSet和HashSet的区别

参考答案

HashSet、TreeSet中的元素都是不能重复的，并且它们都是线程不安全的，二者的区别是：

  1. HashSet中的元素可以是null，但TreeSet中的元素不能是null；
  2. HashSet不能保证元素的排列顺序，而TreeSet支持自然排序、定制排序两种排序的方式；
  3. HashSet底层是采用哈希表实现的，而TreeSet底层是采用红黑树实现的。

说一说HashSet的底层结构

参考答案

HashSet是基于HashMap实现的，默认构造函数是构建一个初始容量为16，负载因子为0.75 的HashMap。它封装了一个 HashMap 对象来存储所有的集合元素，所有放入 HashSet 中的集合元素实际上由 HashMap 的 key 来保存，而 HashMap 的 value 则存储了一个 PRESENT，它是一个静态的 Object 对象。

补充：HashSet是如何保证不重复的

向 HashSet 中 add ()元素时，判断元素是否存在的依据，不仅要比较hash值，同时还要结合 equles 方法比较。

HashSet 中的 add ()方法会使用 HashMap 的 add ()方法。以下是 HashSet 部分源码:

private static final Object PRESENT = new Object();
private transient HashMap<E,Object> map;
public HashSet() {     
    map = new HashMap<>();
}
public boolean add(E e) {
}

HashMap 的 key 是唯一的，由上面的代码可以看出 HashSet 添加进去的值就是作为 HashMap 的key。所以不会 重复( HashMap 比较key是否相等是先比较 hashcode 在比较 equals )。

BlockingQueue中有哪些方法，为什么这样设计？

参考答案

为了应对不同的业务场景，BlockingQueue 提供了4 组不同的方法用于插入、移除以及对队列中的元素进行检查。如果请求的操作不能得到立即执行的话，每组方法的表现是不同的。这些方法如下：

抛异常 特定值 阻塞 超时
插入 add(e) offer(e) put(e) offer(e, time, unit)
移除 remove() poll() take() poll(time, unit)
检查 element() peek()

四组不同的行为方式含义如下：

  • 抛异常：如果操作无法立即执行，则抛一个异常；
  • 特定值：如果操作无法立即执行，则返回一个特定的值(一般是 true / false)。
  • 阻塞：如果操作无法立即执行，则该方法调用将会发生阻塞，直到能够执行；
  • 超时：如果操作无法立即执行，则该方法调用将会发生阻塞，直到能够执行。但等待时间不会超过给定值，并返回一个特定值以告知该操作是否成功(典型的是true / false)。

BlockingQueue是怎么实现的？

参考答案

BlockingQueue是一个接口，它的实现类有ArrayBlockingQueue、DelayQueue、 LinkedBlockingQueue、PriorityBlockingQueue、SynchronousQueue等。它们的区别主要体现在存储结构上或对元素操作上的不同，但是对于put与take操作的原理是类似的。下面以ArrayBlockingQueue为例，来说明BlockingQueue的实现原理。

首先看一下ArrayBlockingQueue的构造函数，它初始化了put和take函数中用到的关键成员变量，这两个变量的类型分别是ReentrantLock和Condition。ReentrantLock是AbstractQueuedSynchronizer（AQS）的子类，它的newCondition函数返回的Condition实例，是定义在AQS类内部的ConditionObject类，该类可以直接调用AQS相关的函数。

public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair) {      
    if (capacity <= 0) throw new IllegalArgumentException();      
    this.items = new Object[capacity];     
    lock = new ReentrantLock(fair);  
    notEmpty = lock.newCondition();   
    notFull = lock.newCondition();  
}

put函数会在队列末尾添加元素，如果队列已经满了，无法添加元素的话，就一直阻塞等待到可以加入为止。函数的源码如下所示。我们会发现put函数使用了wait/notify的机制。与一般生产者-消费者的实现方式不同，同步队列使用ReentrantLock和Condition相结合的机制，即先获得锁，再等待，而不是synchronized和wait的机制。

public void put(E e) throws InterruptedException {      
    checkNotNull(e);      
    final ReentrantLock lock = this.lock;      
    lock.lockInterruptibly();      
    try {         
        while (count == items.length) notFull.await();        
        enqueue(e);     
    } finally {    
        lock.unlock();  
    } 
}

再来看一下消费者调用的take函数，take函数在队列为空时会被阻塞，一直到阻塞队列加入了新的元素。

public E take() throws InterruptedException {      
    final ReentrantLock lock = this.lock;      
    lock.lockInterruptibly();      
    try {          
        while (count == 0) notEmpty.await();          
        return dequeue();      
    } finally {          
        lock.unlock();     
    } 
}

扩展阅读

await操作：

我们发现ArrayBlockingQueue并没有使用Object.wait，而是使用的Condition.await，这是为什么呢？Condition对象可以提供和Object的wait和notify一样的行为，但是后者必须先获取synchronized这个内置的monitor锁才能调用，而Condition则必须先获取ReentrantLock。这两种方式在阻塞等待时都会将相应的锁释放掉，但是Condition的等待可以中断，这是二者唯一的区别。

我们先来看一下Condition的await函数，await函数的流程大致如下图所示。await函数主要有三个步骤，一是调用addConditionWaiter函数，在condition wait queue队列中添加一个节点，代表当前线程在等待一个消息。然后调用fullyRelease函数，将持有的锁释放掉，调用的是AQS的函数。最后一直调用isOnSyncQueue函数判断节点是否被转移到sync queue队列上，也就是AQS中等待获取锁的队列。如果没有，则进入阻塞状态，如果已经在队列上，则调用acquireQueued函数重新获取锁。

signal操作：

signal函数将condition wait queue队列中队首的线程节点转移等待获取锁的sync queue队列中。这样的话，await函数中调用isOnSyncQueue函数就会返回true，导致await函数进入最后一步重新获取锁的状态。

我们这里来详细解析一下condition wait queue和sync queue两个队列的设计原理。condition wait queue是等待消息的队列，因为阻塞队列为空而进入阻塞状态的take函数操作就是在等待阻塞队列不为空的消息。而sync queue队列则是等待获取锁的队列，take函数获得了消息，就可以运行了，但是它还必须等待获取锁之后才能真正进行运行状态。

signal函数其实就做了一件事情，就是不断尝试调用transferForSignal函数，将condition wait queue队首的一个节点转移到sync queue队列中，直到转移成功。因为一次转移成功，就代表这个消息被成功通知到了等待消息的节点。

signal函数的示意图如下所示。

Stream（不是IOStream）有哪些方法？

参考答案

Stream提供了大量的方法进行聚集操作，这些方法既可以是“中间的”，也可以是“末端的”。

  • 中间方法：中间操作允许流保持打开状态，并允许直接调用后续方法。上面程序中的map()方法就是中间方法。中间方法的返回值是另外一个流。
  • 末端方法：末端方法是对流的最终操作。当对某个Stream执行末端方法后，该流将会被“消耗”且不再可用。上面程序中的sum()、count()、average()等方法都是末端方法。

除此之外，关于流的方法还有如下两个特征：

  • 有状态的方法：这种方法会给流增加一些新的属性，比如元素的唯一性、元素的最大数量、保证元素以排序的方式被处理等。有状态的方法往往需要更大的性能开销。
  • 短路方法：短路方法可以尽早结束对流的操作，不必检查所有的元素。

下面简单介绍一下Stream常用的中间方法：

  • filter(Predicate predicate)：过滤Stream中所有不符合predicate的元素。
  • mapToXxx(ToXxxFunction mapper)：使用ToXxxFunction对流中的元素执行一对一的转换，该方法返回的新流中包含了ToXxxFunction转换生成的所有元素。
  • peek(Consumer action)：依次对每个元素执行一些操作，该方法返回的流与原有流包含相同的元素。该方法主要用于调试。
  • distinct()：该方法用于排序流中所有重复的元素（判断元素重复的标准是使用equals()比较返回true）。这是一个有状态的方法。
  • sorted()：该方法用于保证流中的元素在后续的访问中处于有序状态。这是一个有状态的方法。
  • limit(long maxSize)：该方法用于保证对该流的后续访问中最大允许访问的元素个数。这是一个有状态的、短路方法。

下面简单介绍一下Stream常用的末端方法：

  • forEach(Consumer action)：遍历流中所有元素，对每个元素执行action。
  • toArray()：将流中所有元素转换为一个数组。
  • reduce()：该方法有三个重载的版本，都用于通过某种操作来合并流中的元素。
  • min()：返回流中所有元素的最小值。
  • max()：返回流中所有元素的最大值。
  • count()：返回流中所有元素的数量。
  • anyMatch(Predicate predicate)：判断流中是否至少包含一个元素符合Predicate条件。
  • noneMatch(Predicate predicate)：判断流中是否所有元素都不符合Predicate条件。
  • findFirst()：返回流中的第一个元素。
  • findAny()：返回流中的任意一个元素。

除此之外，Java 8允许使用流式API来操作集合，Collection接口提供了一个stream()默认方法，该方法可返回该集合对应的流，接下来即可通过流式API来操作集合元素。由于Stream可以对集合元素进行整体的聚集操作，因此Stream极大地丰富了集合的功能。

扩展阅读

Java 8新增了Stream、IntStream、LongStream、DoubleStream等流式API，这些API代表多个支持串行和并行聚集操作的元素。上面4个接口中，Stream是一个通用的流接口，而IntStream、LongStream、DoubleStream则代表元素类型为int、long、double的流。

Java 8还为上面每个流式API提供了对应的Builder，例如Stream.Builder、IntStream.Builder、LongStream.Builder、DoubleStream.Builder，开发者可以通过这些Builder来创建对应的流。

独立使用Stream的步骤如下：

  1. 使用Stream或XxxStream的builder()类方法创建该Stream对应的Builder。
  2. 重复调用Builder的add()方法向该流中添加多个元素。
  3. 调用Builder的build()方法获取对应的Stream。
  4. 调用Stream的聚集方法。

在上面4个步骤中，第4步可以根据具体需求来调用不同的方法，Stream提供了大量的聚集方法供用户调用，具体可参考Stream或XxxStream的API文档。对于大部分聚集方法而言，每个Stream只能执行一次。

补充：Arrays.sort 和 Collections.sort

Collection和Collections区别

java.util.Collection 是一个集合接口。它提供了对集合对象进行基本操作的通用接口方法。 java.util.Collections 是针对集合类的一个帮助类，他提供一系列静态方法实现对各种集合的搜索、排序、 线程安全等操作。 然后还有混排（Shuffling）、反转（Reverse）、替换所有的元素（fill）、拷贝（copy）、返 回Collections中最小元素（min）、返回Collections中最大元素（max）、返回指定源列表中最后一次出现指定目 标列表的起始位置（ lastIndexOfSubList ）、返回指定源列表中第一次出现指定目标列表的起始位置 （ IndexOfSubList ）、根据指定的距离循环移动指定列表中的元素（Rotate）

事实上Collections.sort方法底层就是调用的array.sort方法，

public static void sort(Object[] a) {
    if (LegacyMergeSort.userRequested)
        legacyMergeSort(a);
    else
        ComparableTimSort.sort(a, 0, a.length, null, 0, 0);
}

//void java.util.ComparableTimSort.sort()
static void sort(Object[] a, int lo, int hi, Object[] work, int workBase, int workLen)
{
    assert a != null && lo >= 0 && lo <= hi && hi <= a.length;
    int nRemaining  = hi - lo;
    if (nRemaining < 2)
        return;  // Arrays of size 0 and 1 are always sorted
    // If array is small, do a "mini-TimSort" with no merges
    if (nRemaining < MIN_MERGE) {
        int initRunLen = countRunAndMakeAscending(a, lo, hi);
        binarySort(a, lo, hi, lo + initRunLen);
        return;
    }
}

legacyMergeSort (a):归并排序 ComparableTimSort.sort() : Timsort 排序

Timsort 排序是结合了合并排序(merge sort)和插入排序(insertion sort)而得出的排序算法。

Timsort的核心过程：

TimSort 算法为了减少对升序部分的回溯和对降序部分的性能倒退，将输入按其升序和降序特点进行了分 区。排序的输入的单位不是一个个单独的数字，而是一个个的块-分区。其中每一个分区叫一个run。针对这 些 run 序列，每次拿一个 run 出来按规则进行合并。每次合并会将两个 run合并成一个 run。合并的结果保 存到栈中。合并直到消耗掉所有的 run，这时将栈上剩余的 run合并到只剩一个 run 为止。这时这个仅剩的run 便是排好序的结果。

综上述过程，Timsort算法的过程包括：

  1. 如何数组长度小于某个值，直接用二分插入排序算法。
  2. 找到各个run，并入栈。
  3. 按规则合并run。

补充：Cloneable接口实现原理

Cloneable接口是Java中常用的一个接口， 它的作用是使一个类的实例能够将自身拷贝到另一个新的实例中， 注意，这里所说的“拷贝”拷的是对象实例，而不是类的定义，进一步说，拷贝的是一个类的实例中各字段的值。

在开发过程中，拷贝实例是常见的一种操作，如果一个类中的字段较多，而我们又采用在客户端中逐字段复制的方 法进行拷贝操作的话，将不可避免的造成客户端代码繁杂冗长，而且也无法对类中的私有成员进行复制，而如果让需要 具备拷贝功能的类实现Cloneable接口，并重写clone()方法，就可以通过调用clone()方法的方式简洁地实现实例 拷贝功

深拷贝(深复制)和浅拷贝(浅复制)是两个比较通用的概念，尤其在C++语言中，若不弄懂，则会在delete的时候出问 题，但是我们在这幸好用的是java。虽然java自动管理对象的回收，但对于深拷贝(深复制)和浅拷贝(浅复制)，我们 还是要给予足够的重视，因为有时这两个概念往往会给我们带来不小的困惑。

浅拷贝是指拷贝对象时仅仅拷贝对象本身(包括对象中的基本变量)，而不拷贝对象包含的引用指向的对象。深拷 贝不仅拷贝对象本身，而且拷贝对象包含的引用指向的所有对象。举例来说更加清楚:对象 A1 中包含对 B1 的引 用， B1 中包含对 C1 的引用。浅拷贝 A1 得到 A2 ， A2 中依然包含对 B1 的引用， B1 中依然包含对 C1 的引 用。深拷贝则是对浅拷贝的递归，深拷贝 A1 得到 A2 ， A2 中包含对 B2 ( B1 的 copy )的引用， B2 中包含 对 C2 ( C1 的 copy )的引用。

若不对clone()方法进行改写，则调用此方法得到的对象即为浅拷贝 。