Java 集合八股文面试题

一、Java 集合框架全景概览

Java 集合框架以 Collection 和 Map 为两大核心接口展开，Collection 专注于元素的集合操作（如 List、Set、Queue），Map 专注于键值对的映射关系。先来看一张全景图，建立整体认知：

二、List 接口：ArrayList、LinkedList、Vector 三兄弟的 “爱恨情仇”

1. ArrayList：动态数组的 “速度担当”

• 底层实现：基于动态数组（数组扩容 + 元素拷贝）。
• 核心特性：
  • 随机查询快（get(index) 时间复杂度 O (1)）；
  • 插入、删除慢（需要移动元素，时间复杂度 O (n)）；
• 扩容机制：初始容量 10，扩容时新容量为原容量的 1.5 倍，通过 Arrays.copyOf() 实现数组拷贝。

2. LinkedList：双向链表的 “灵活选手”

• 底层实现：基于双向链表（每个节点含 prev、next 指针）。
• 核心特性：
  • 随机查询慢（需遍历链表，时间复杂度 O (n)）；
  • 插入、删除快（只需修改指针，时间复杂度 O (1)）；
• 额外能力：同时实现 Queue 和 Deque 接口，可作为 ** 队列（FIFO）或栈（LIFO）** 使用。

3. Vector：线程安全的 “老派选手”

• 底层实现：基于动态数组，与 ArrayList 结构类似。
• 线程安全实现：所有公有方法加 synchronized 修饰（方法级同步），保证单个方法的原子性。
• 缺点：同步粒度粗，性能差；复合操作（如 “检查后删除”）仍需手动加锁。

4. 三者核心区别对比

特性	ArrayList	LinkedList	Vector
底层结构	动态数组	双向链表	动态数组
随机访问	O (1) 快	O (n) 慢	O (1) 快
插入 / 删除	O (n) 慢	O (1) 快	O (n) 慢
线程安全	不安全	不安全	安全（方法同步）
扩容机制	1.5 倍	无（链表无需扩容）	2 倍

三、Set 接口：元素去重的 “守卫者”

Set 接口的核心是 “元素不重复”，常用实现类有 HashSet、LinkedHashSet、TreeSet。

1. HashSet：哈希表的 “去重先锋”

• 底层实现：基于 HashMap（以元素为 key，PRESENT 为固定 value）。
• 特性：元素无序，不允许重复，允许 null 元素。
• 去重原理：通过 hashCode() 和 equals() 方法判断元素是否重复（先比较哈希码，再比较内容）。

2. LinkedHashSet：有序的 “哈希表 + 链表”

• 底层实现：基于 LinkedHashMap，在哈希表基础上维护了一条双向链表。
• 特性：元素有序（插入顺序），不允许重复，允许 null 元素。
• 应用场景：需要 “去重且保留插入顺序” 的场景（如缓存淘汰策略）。

3. TreeSet：红黑树的 “有序守卫”

• 底层实现：基于 TreeMap（红黑树结构）。
• 特性：元素有序（自然顺序或比较器顺序），不允许重复，不允许 null 元素（会破坏排序规则）。
• 排序原理：元素需实现 Comparable 接口，或在创建时指定 Comparator。

四、Map 接口：键值对的 “映射大师”

Map 接口处理 “键值对” 映射关系，核心实现类有 HashMap、Hashtable、TreeMap、LinkedHashMap、ConcurrentHashMap。

1. HashMap：哈希表的 “性能王者”

• 底层实现：数组 + 链表 + 红黑树（JDK 8 后优化）。
  • 当链表长度 > 8 且数组容量 > 64 时，链表转为红黑树；
  • 当红黑树节点数 < 6 时，红黑树转回链表。
• 哈希碰撞解决：通过 “链表法”（JDK 7 及之前）和 “链表 + 红黑树”（JDK 8+）解决。
• 扩容机制：初始容量 16，负载因子 0.75；扩容时新容量为原容量的 2 倍，需重新哈希所有元素。
• 特性：无序，允许 null 键（仅一个）和 null 值，线程不安全。

2. Hashtable：线程安全的 “老派映射”

• 底层实现：数组 + 链表（无红黑树优化）。
• 线程安全实现：所有公有方法加 synchronized 修饰（同步粒度为整个对象）。
• 缺点：性能差，不允许 null 键和 null 值，已被 ConcurrentHashMap 替代。

3. TreeMap：红黑树的 “有序映射”

• 底层实现：基于红黑树。
• 特性：键有序（自然顺序或比较器顺序），不允许 null 键（破坏排序），允许 null 值，线程不安全。

4. LinkedHashMap：有序的 “哈希表 + 链表”

• 底层实现：基于 HashMap，额外维护一条双向链表记录插入顺序或访问顺序。
• 特性：键有序（插入顺序或访问顺序），允许 null 键和 null 值，线程不安全。
• 应用场景：LRU 缓存（通过访问顺序实现）。

5. ConcurrentHashMap：线程安全的 “现代哈希表”

• JDK 7 vs JDK 8 区别：
  • JDK 7：分段锁（Segment 数组），每个 Segment 是一个小 HashMap，锁粒度为 Segment。
  • JDK 8： CAS + synchronized 锁（锁粒度为数组节点），结构与 HashMap 一致（数组 + 链表 + 红黑树）。
• 特性：线程安全，性能优于 Hashtable；不允许 null 键和 null 值。

6. HashMap vs Hashtable 核心区别

特性	HashMap	Hashtable
线程安全	不安全	安全（方法同步）
null 支持	允许 null 键值	不允许
底层结构	数组 + 链表 + 红黑树	数组 + 链表
扩容机制	2 倍	2 倍
迭代器	fail-fast	fail-safe