Java集合&大厂高频&后台开发-面试常考八股题

一、Java集合框架

1)讲讲Java集合的架构？

1. Collection 接口（存单一元素）
   ● List（有序，可重复）
   ○ ArrayList：底层动态数组，查询快，增删慢（尾部增删快）
   ○ LinkedList：底层双向链表，查询慢，增删快
   ● Set（无序，不可重复）
   ○ HashSet：底层HashMap（用 key 存），唯一性依赖hashCode + equals
   ○ TreeSet：底层 红黑树，元素有序（自然排序/自定义比较器）
   ● Queue（队列）
   ○ PriorityQueue：底层小顶堆，也可以作为优先级队列
   ○ Deque：底层双端队列

2. Map 接口（存键值对）
   ● HashMap：哈希表
   ● ConcurrentHashMap：线程安全实现
   ● TreeMap：底层红黑树

Java 集合框架图

2)如何选择集合？

● 需要键值对：选择 Map 接口下的集合
○ 需要排序：TreeMap
○ 不需要排序：HashMap
○ 需要线程安全：ConcurrentHashMap
● 不需要键值对：选择Collection接口下的集合
○ 需要保证元素唯一：选择 Set 接口下的集合
■ 需要排序：TreeSet
■ 不需要排序：HashSet
○ 不需要保证元素唯一：选择 List 接口下的集合
■ 查询块：ArrayList
■ 增删快：LinkedList

二、Collection

1)⭐讲讲ArrayList的底层实现？

1. 底层数据结构
   a. ArrayList内部维护一个Object动态数组，用于存储元素
2. 动态扩容机制
   a. 当向ArrayList底层数组已满时，ArrayList会自动创建一个原数组容量的 1.5 倍的新数组，将原数组中的所有元素复制到新数组中
   b. 由于扩容操作会影响性能，因此在已知元素数量的情况下，建议在初始化时指定初始容量
3. 线程安全性
   a. ArrayList不是线程安全的。在多线程环境下，需要使用如Collections.synchronizedList()等方案进行处理
4. 时间复杂度
   a. 随机访问效率高：O(1)
   b. 插入和删除，因为需要移动前后元素位置，效率低：O(n)
   c. 适用场景：适用于需要频繁进行随机访问，而对插入和删除操作要求不高的场景

2)⭐⭐ArrayList和LinkedList的区别？

1. 线程安全：
   ○ ArrayList和LinkedList都是非线程安全的，在多线程环境下使用需要额外的同步措施
2. 底层数据结构：
   ○ ArrayList：底层使用数组实现。这意味着元素在内存中是连续存储的
   ○ LinkedList：底层使用双向链表实现。每个元素都包含指向前后元素的指针，元素在内存中不是连续存储的
3. 时间复杂度：
   ○ ArrayList：数组支持随机访问，适合频繁访问元素的场景
   ○ LinkedList：查询慢，但在头尾增删快，适合头尾频繁插入和删除元素的场景
4. 内存占用：
   ○ LinkedList每个元素需要额外的空间存储前后指针，因此空间开销大
5. 技术选型：
   ○ 虽然LinkedList适合频繁的插入和删除操作，但仅限于头尾操作，在其他位置插入和删除元素的效率并不高
   ○ 在大多数情况下，ArrayList都可以替代LinkedList，并且性能更好

三、Map

1)⭐⭐讲讲HashMap的底层实现？

1. 数据结构
   ● 数组：HashMap底层维护一个数组，数组元素被称为桶（bucket）
   ● 链表：解决哈希冲突
   ● 红黑树（以提高查找效率）：当链表元素数量超过阈值（默认为 8），链表会转换为红黑树，小于树化阈值（默认为 6）时会转换回链表

2. 工作流程
   a. 计算哈希值：调用put()方法时，会先调用键的hashCode()方法计算键的哈希值
   b. 确定数组索引：通过哈希值和数组长度取模，计算索引
   c. 处理哈希冲突：链地址法、红黑树

3. 扩容机制：数组初始容量为16，当HashMap的填充率达到阈值（默认为 75%）时，会进行扩容至原来的两倍（重新计算键值对的哈希值并分配到新的数组中，称为rehash）

4. 细节
   ● 允许null：允许一个null 键和多个null值
   ● 非线程安全：在多线程环境下使用需要进行同步处理，或使用ConcurrentHashMap

2)⭐HashMap和ConcurrentHashMap的区别？

1. 线程安全：ConcurrentHashMap是线程安全的
2. 性能
   ○ HashMap在单线程环境中具有更高的性能，因为它没有同步的开销
   ○ ConcurrentHashMap在多线程环境中具有更高的并发性能，因为它通过细粒度锁减少了线程之间的竞争
3. 迭代器
   ○ HashMap的迭代器是fail-fast的。如果在迭代过程中HashMap被修改，迭代器会抛出ConcurrentModificationException
   ○ ConcurrentHashMap的迭代器是fail-safe的，允许在迭代过程中修改ConcurrentHashMap
4. null值
   ○ HashMap允许一个null 键和任意数量的null值
   ○ ConcurrentHashMap不允许null键或null值

3)ConcurrentHashMap和Hashtable的区别？

1. 线程安全机制
   ○ Hashtable：使用synchronized关键字对整个哈希表进行同步。这意味着在同一时刻，只能有一个线程可以访问 Hashtable
   ○ ConcurrentHashMap：采用分段锁（Segment Locking）机制，将整个哈希表分成多个段，每个段都有自己的锁。提高了并发性能
2. 性能
   ○ Hashtable：由于使用全局锁，并发性能较低，在高并发场景下容易成为性能瓶颈
   ○ ConcurrentHashMap：由于采用分段锁或更细粒度的锁，并发性能较高，在高并发场景下表现更好
3. null值：都不允许键或值为null，否则会抛出 NullPointerException
4. 迭代器
   ○ Hashtable的迭代器是fail-fast的，如果在迭代过程中，哈希表被修改，会抛出ConcurrentModificationException
   ○ ConcurrentHashMap的迭代器是fail-safe的。它们不会抛出ConcurrentModificationException，并且允许在迭代过程中修改ConcurrentHashMap

4)⭐ConcurrentHashMap如何实现线程安全？

Java 7之前：
在Java 7中，ConcurrentHashMap 主要通过分段锁机制来实现线程安全
● 数据结构：ConcurrentHashMap 内部维护一个Segment数组，每个Segment 类似于一个小的HashMap
● Segment类：Segment类继承自ReentrantLock，这意味着每个Segment本身就是一个锁
● 加锁：多线程访问ConcurrentHashMap 时，会根据键的哈希值确定要访问的Segment，并尝试获取锁

Java 8及之后：
使用Node<k, v>数组替换了Segment数组，使用synchronized替换了ReentrantLock
● Node类：一个Node就是一个键值对，元素使用volatile+CAS+synchronized的机制保证并发安全
● synchronized：synchronized在Java 6之后经过优化，性能已经接近 ReentrantLock。
● CAS：可以避免使用锁，从而提高并发性能
● 红黑树：当哈希冲突严重时，ConcurrentHashMap会将哈希表的链表转换为红黑树，以提高查找效率