這幾道Java集合框架面試題在面試中幾乎必問

本文是「最最最多見Java面試題總結」系列第三週的文章。 主要內容： 1. Arraylist 與 LinkedList 異同 2. ArrayList 與 Vector 區別 3. HashMap的底層實現 4. HashMap 和 Hashtable 的區別 5. HashMap 的長度爲何是2的冪次方 6. HashSet 和 HashMap 區別 7. ConcurrentHashMap 和 Hashtable 的區別 8. ConcurrentHashMap線程安全的具體實現方式/底層具體實現 9. 集合框架底層數據結構總結

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Arraylist 與 LinkedList 異同

• 1. 是否保證線程安全： ArrayList 和 LinkedList 都是不一樣步的，也就是不保證線程安全；
• 2. 底層數據結構： Arraylist 底層使用的是Object數組；LinkedList 底層使用的是雙向循環鏈表數據結構；
• 3. 插入和刪除是否受元素位置的影響： ① ArrayList 採用數組存儲，因此插入和刪除元素的時間複雜度受元素位置的影響。 好比：執行add(E e)方法的時候， ArrayList 會默認在將指定的元素追加到此列表的末尾，這種狀況時間複雜度就是O(1)。可是若是要在指定位置 i 插入和刪除元素的話（add(int index, E element)）時間複雜度就爲 O(n-i)。由於在進行上述操做的時候集合中第 i 和第 i 個元素以後的(n-i)個元素都要執行向後位/向前移一位的操做。 ② LinkedList 採用鏈表存儲，因此插入，刪除元素時間複雜度不受元素位置的影響，都是近似 O（1）而數組爲近似 O（n）。
• 4. 是否支持快速隨機訪問： LinkedList 不支持高效的隨機元素訪問，而ArrayList 實現了RandmoAccess 接口，因此有隨機訪問功能。快速隨機訪問就是經過元素的序號快速獲取元素對象(對應於get(int index)方法)。
• 5. 內存空間佔用： ArrayList的空 間浪費主要體如今在list列表的結尾會預留必定的容量空間，而LinkedList的空間花費則體如今它的每個元素都須要消耗比ArrayList更多的空間（由於要存放直接後繼和直接前驅以及數據）。

補充：數據結構基礎之雙向鏈表

雙向鏈表也叫雙鏈表，是鏈表的一種，它的每一個數據結點中都有兩個指針，分別指向直接後繼和直接前驅。因此，從雙向鏈表中的任意一個結點開始，均可以很方便地訪問它的前驅結點和後繼結點。通常咱們都構造雙向循環鏈表，以下圖所示，同時下圖也是LinkedList 底層使用的是雙向循環鏈表數據結構。

 

 

ArrayList 與 Vector 區別

Vector類的全部方法都是同步的。能夠由兩個線程安全地訪問一個Vector對象、可是一個線程訪問Vector的話代碼要在同步操做上耗費大量的時間。

Arraylist不是同步的，因此在不須要保證線程安全時時建議使用Arraylist。

HashMap的底層實現

JDK1.8以前

JDK1.8 以前 HashMap 由 數組+鏈表 組成的（「鏈表散列」 即數組和鏈表的結合體），數組是 HashMap 的主體，鏈表則是主要爲了解決哈希衝突而存在的（HashMap 採用 「拉鍊法也就是鏈地址法」 解決衝突），若是定位到的數組位置不含鏈表（當前 entry 的 next 指向 null ）,那麼對於查找，添加等操做很快，僅需一次尋址便可；若是定位到的數組包含鏈表，對於添加操做，其時間複雜度依然爲 O(1)，由於最新的 Entry 會插入鏈表頭部，急須要簡單改變引用鏈便可，而對於查找操做來說，此時就須要遍歷鏈表，而後經過 key 對象的 equals 方法逐一比對查找.

所謂  「拉鍊法」 就是將鏈表和數組相結合。也就是說建立一個鏈表數組，數組中每一格就是一個鏈表。若遇到哈希衝突，則將衝突的值加到鏈表中便可。

 

 

JDK1.8以後

相比於以前的版本， JDK1.8以後在解決哈希衝突時有了較大的變化，當鏈表長度大於閾值（默認爲8）時，將鏈表轉化爲紅黑樹，以減小搜索時間。

 

 

TreeMap、TreeSet以及JDK1.8以後的HashMap底層都用到了紅黑樹。紅黑樹就是爲了解決二叉查找樹的缺陷，由於二叉查找樹在某些狀況下會退化成一個線性結構。

推薦閱讀：

• 《Java 8系列之從新認識HashMap》 ：https://zhuanlan.zhihu.com/p/21673805

HashMap 和 Hashtable 的區別

1. 線程是否安全： HashMap 是非線程安全的，HashTable 是線程安全的；HashTable 內部的方法基本都通過 synchronized 修飾。（若是你要保證線程安全的話就使用 ConcurrentHashMap 吧！）；
2. 效率： 由於線程安全的問題，HashMap 要比 HashTable 效率高一點。另外，HashTable 基本被淘汰，不要在代碼中使用它；
3. 對Null key 和Null value的支持： HashMap 中，null 能夠做爲鍵，這樣的鍵只有一個，能夠有一個或多個鍵所對應的值爲 null。。可是在 HashTable 中 put 進的鍵值只要有一個 null，直接拋出 NullPointerException。
4. 初始容量大小和每次擴充容量大小的不一樣 ： ①建立時若是不指定容量初始值，Hashtable 默認的初始大小爲11，以後每次擴充，容量變爲原來的2n+1。HashMap 默認的初始化大小爲16。以後每次擴充，容量變爲原來的2倍。②建立時若是給定了容量初始值，那麼 Hashtable 會直接使用你給定的大小，而 HashMap 會將其擴充爲2的冪次方大小。也就是說 HashMap 老是使用2的冪做爲哈希表的大小,後面會介紹到爲何是2的冪次方。
5. 底層數據結構： JDK1.8 之後的 HashMap 在解決哈希衝突時有了較大的變化，當鏈表長度大於閾值（默認爲8）時，將鏈表轉化爲紅黑樹，以減小搜索時間。Hashtable 沒有這樣的機制。

HashMap 的長度爲何是2的冪次方

爲了能讓 HashMap 存取高效，儘可能較少碰撞，也就是要儘可能把數據分配均勻，每一個鏈表/紅黑樹長度大體相同。這個實現就是把數據存到哪一個鏈表/紅黑樹中的算法。

這個算法應該如何設計呢？

咱們首先可能會想到採用%取餘的操做來實現。可是，重點來了：「取餘(%)操做中若是除數是2的冪次則等價於與其除數減一的與(&)操做（也就是說 hash%length==hash&(length-1)的前提是 length 是2的 n 次方；）。」 而且 採用二進制位操做 &，相對於%可以提升運算效率，這就解釋了 HashMap 的長度爲何是2的冪次方。

HashSet 和 HashMap 區別

 

 

ConcurrentHashMap 和 Hashtable 的區別

ConcurrentHashMap 和 Hashtable 的區別主要體如今實現線程安全的方式上不一樣。

• 底層數據結構： JDK1.7的 ConcurrentHashMap 底層採用 分段的數組+鏈表 實現，JDK1.8 採用的數據結構跟HashMap1.8的結構同樣，數組+鏈表/紅黑二叉樹。Hashtable 和 JDK1.8 以前的 HashMap 的底層數據結構相似都是採用 數組+鏈表 的形式，數組是 HashMap 的主體，鏈表則是主要爲了解決哈希衝突而存在的；
• 實現線程安全的方式（重要）： ① 在JDK1.7的時候，ConcurrentHashMap（分段鎖） 對整個桶數組進行了分割分段(Segment)，每一把鎖只鎖容器其中一部分數據，多線程訪問容器裏不一樣數據段的數據，就不會存在鎖競爭，提升併發訪問率。（默認分配16個Segment，比Hashtable效率提升16倍。） 到了 JDK1.8 的時候已經摒棄了Segment的概念，而是直接用 Node 數組+鏈表+紅黑樹的數據結構來實現，併發控制使用 synchronized 和 CAS 來操做。（JDK1.6之後 對 synchronized鎖作了不少優化） 整個看起來就像是優化過且線程安全的 HashMap，雖然在JDK1.8中還能看到 Segment 的數據結構，可是已經簡化了屬性，只是爲了兼容舊版本；② Hashtable(同一把鎖) :使用 synchronized 來保證線程安全，效率很是低下。當一個線程訪問同步方法時，其餘線程也訪問同步方法，可能會進入阻塞或輪詢狀態，如使用 put 添加元素，另外一個線程不能使用 put 添加元素，也不能使用 get，競爭會愈來愈激烈效率越低。

二者的對比圖：

圖片來源：http://www.cnblogs.com/chengxiao/p/6842045.html

HashTable:

 

JDK1.7的ConcurrentHashMap：

JDK1.8的ConcurrentHashMap（TreeBin: 紅黑二叉樹節點 Node: 鏈表節點）：

 

ConcurrentHashMap線程安全的具體實現方式/底層具體實現

JDK1.7（上面有示意圖）

首先將數據分爲一段一段的存儲，而後給每一段數據配一把鎖，當一個線程佔用鎖訪問其中一個段數據時，其餘段的數據也能被其餘線程訪問。

ConcurrentHashMap 是由 Segment 數組結構和 HahEntry 數組結構組成。

Segment 實現了 ReentrantLock,因此 Segment 是一種可重入鎖，扮演鎖的角色。HashEntry 用於存儲鍵值對數據。

static class Segment<K,V> extends ReentrantLock implements Serializable {
}

一個 ConcurrentHashMap 裏包含一個 Segment 數組。Segment 的結構和HashMap相似，是一種數組和鏈表結構，一個 Segment 包含一個 HashEntry 數組，每一個 HashEntry 是一個鏈表結構的元素，每一個 Segment 守護着一個HashEntry數組裏的元素，當對 HashEntry 數組的數據進行修改時，必須首先得到對應的 Segment的鎖。

JDK1.8 （上面有示意圖）

ConcurrentHashMap取消了Segment分段鎖，採用CAS和synchronized來保證併發安全。數據結構跟HashMap1.8的結構相似，數組+鏈表/紅黑二叉樹。

synchronized只鎖定當前鏈表或紅黑二叉樹的首節點，這樣只要hash不衝突，就不會產生併發，效率又提高N倍。

集合框架底層數據結構總結

Collection

1. List

• Arraylist： Object數組
• Vector： Object數組
• LinkedList： 雙向循環鏈表

2. Set

• HashSet（無序，惟一）: 基於 HashMap 實現的，底層採用 HashMap 來保存元素
• LinkedHashSet： LinkedHashSet 繼承與 HashSet，而且其內部是經過 LinkedHashMap 來實現的。有點相似於咱們以前說的LinkedHashMap 其內部是基於 Hashmap 實現同樣，不過仍是有一點點區別的。
• TreeSet（有序，惟一）： 紅黑樹(自平衡的排序二叉樹。)

Map

• HashMap： JDK1.8以前HashMap由數組+鏈表組成的，數組是HashMap的主體，鏈表則是主要爲了解決哈希衝突而存在的（「拉鍊法」解決衝突）.JDK1.8之後在解決哈希衝突時有了較大的變化，當鏈表長度大於閾值（默認爲8）時，將鏈表轉化爲紅黑樹，以減小搜索時間
• LinkedHashMap: LinkedHashMap 繼承自 HashMap，因此它的底層仍然是基於拉鍊式散列結構即由數組和鏈表或紅黑樹組成。另外，LinkedHashMap 在上面結構的基礎上，增長了一條雙向鏈表，使得上面的結構能夠保持鍵值對的插入順序。同時經過對鏈表進行相應的操做，實現了訪問順序相關邏輯。詳細能夠查看：《LinkedHashMap 源碼詳細分析（JDK1.8）》
• HashTable: 數組+鏈表組成的，數組是 HashMap 的主體，鏈表則是主要爲了解決哈希衝突而存在的
• TreeMap: 紅黑樹（自平衡的排序二叉樹）

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