JAVA基础、集合

原创已于 2025-07-23 22:00:33 修改 · 471 阅读

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#java #开发语言

于 2025-07-21 22:51:04 首次发布

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JAVA基础

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概念

语法糖

Lambda表达式：依赖底层API

泛型

定义接口、类时使用类型参数，使用时再用具体的类型来替换。
优点：代码复用、类型安全

反射机制

程序运行时能获取所有类的属性和方法。
为什么慢：
- 不能执行某些java虚拟机优化
- 包装、拆包
- 遍历查找方法数组
- 可见性检查、参数检查

动态代理

在运行时动态创建代理对象。在不修改目标对象代码的情况下，为对象动态地添加额外的功能。
实现方式：
- JDK动态代理：java.lang.reflect 包的 Proxy 类和 InvocationHandler 接口。对象必须实现一个或多个接口。
- CGLIB：运行时动态生成一个子类对象。

异常

受检异常（Checked Exception）：必须处理（捕获或抛出），否则编译报错。
非受检异常（Unchecked Exception）：运行时报错。如空指针、数组越界等。

值传递、引用传递

值传递：复制出一个副本出来，传递副本。
Java是值传递，通过复制的方式把引用关系传递了。

浅拷贝、深拷贝

浅拷贝：只复制对象的地址，而不是对象本身。共用一个地址。互相影响。
深拷贝：新建一个对象，再复制。不同地址。互不影响。

数据类型

基本类型、包装类

String

不可变：
- 原因：
  - 缓存优势：字符串频繁使用，Java通过字符串池来缓存字符串，节省内存资源。不可变性使得多个相同内容的字符串变量可以指向同一个对象，从而实现内存节省。
  - hashCode缓存：由于字符串的不可变性，它们的哈希码（hashCode）不会改变。String类利用这一点，缓存了哈希码值，提高了性能。
  - 线程安全：不可变对象天然线程安全，因为它们的内容不会被改变。这意味着多个线程可以安全地共享不可变对象，无需额外的同步机制。
  - 安全性：存储敏感信息。
如何实现：
- String类被声明为final，不能被继承，因此其内部方法不能被覆盖。
- String类中的字符存储数组 char[] 被声明为final，一旦初始化后不能指向其他数组。
- String类没有提供修改字符串内容的公共方法，如追加、删除或修改字符的方法。任何看似修改字符串的操作实际上都会创建一个新的String对象。

StringBuffer可变、线程安全；StringBuilder可变、不安全

面向对象

三大特征

封装
继承：
- 单继承：一个类只能继承一个父类。
多态：
- 定义：同一操作作用于不同的对象，可以有不同的解释，产生不同的执行结果。
- 实现：
  - 方法重载（Overloading）：同一个类中可以有多个同名方法，只要它们的参数列表不同（参数类型或数量不同）。
  - 方法重写（Overriding）：子类可以覆盖父类中的方法，提供具体的实现。当通过父类引用调用方法时，实际执行的是子类中的方法。
  - 接口实现：通过实现接口中的方法，不同的类可以提供各自的实现，实现多态。

序列化

将对象转换为字节序列。
类序列化为数据流，通过输入输出流将内存中的类持久化到硬盘或网络中。
对象的类需要实现 java.io.Serializable 接口。

创建对象的方法

new关键字：最常见的创建对象方式，通过new关键字直接创建类的实例。
通过反射机制：利用Java的反射API，在运行时动态创建对象。
克隆：实现 Cloneable 接口并重写 clone() 方法，通过克隆已有对象创建新对象。
反序列化：从文件、网络或其他来源读取对象的二进制流，反序列化创建对象。

类

抽象类和接口

接口：只是定义了一些方法，没有实现。
- 修饰符：public、protect、private 都有；默认 public。
- 单继承；多实现。
- 作用：代码复用（模板方法模式）；制定规范。

集合

List

ArrayList：动态数组。
LinkedList：双向链表。
Vector：类似于ArrayList，也是基于动态数组实现的。线程安全的。
数组转list：asList 方法；list 转数组：toArray 方法。
ArrayList 和 LinkedList 的区别：
1. 底层使用的数据结构
2. 操作数据效率
3. 内存空间占用
4. 线程安全

Set

HashSet：底层使用哈希表实现，通过哈希码和哈希函数来快速定位元素。
TreeSet：基于红黑树实现，能够按照元素的自然顺序或定制顺序对元素进行排序。通过树的结构来保证元素的唯一性。

Map

hash冲突解决方法：
- 开放定址：找下一个空位置。
- 链地址（hashmap采用这个）：每个哈希桶(bucket)指向一个链表。当发生冲突时，新的元素将被添加到这个链表的末尾。当链表长度超过8时，链表会转换为红黑树，以提高搜索效率。红黑树结点数量小到6时，转回链表。
- 再哈希：使用两个哈希函数，当发生冲突时，使用第二个哈希函数计算新的位置。
- 建立公共溢出区：基本表+溢出表，冲突的放溢出表。
- 一致性哈希：分布式系统中。将哈希空间视为一个环状结构，将节点和数据都映射到这个环上，并通过计算哈希值来确定数据的存储和检索位置。

HashMap

结构：
- 一个数组，数组的每个成员都是一个链表。
- 数组是 entry 类型，每个 entry 包含一对 k-v。
- 红黑树：二叉查找树可以提高查找效率，但极端情况下会退化成链表。AVL树虽然保持平衡，但每次插入都需要旋转，消耗时间。红黑树作为二叉平衡树的一种，插入和删除操作最多需要两次旋转，更适合频繁的插入和删除操作。
  - 所有的叶子节点都是黑色的空节点，也就是叶子节点不存数据。
  - 任何相邻的节点都不能同时为红色，红色节点是被黑色节点隔开的，每个节点，从该节点到达其可达的叶子节点的所有路径，都包含相同数目的黑色节点。
  - O(logn)
- 链表长度>8时变为红黑树；<6时退化为链表。
方法：
- hash()：根据key计算k-v在数组中的下标。
  - 调用 Object 的 HashCode() 方法，返回一个整数，用这个整数对容量取模。
  - 提高效率：
    - 位运算代替取模运算：要求容量是2^n。
    - 对 HashCode 进行扰动计算。
- get()：计算键的哈希值，通过哈希值计算出在数组中的索引位置。如果该位置上的元素为空，说明没有找到对应的键值对，直接返回null。如果该位置上的元素不为空，遍历该位置上的元素，如果找到了与当前键相等的键值对，那么返回该键值对的值，否则返回null。
- put()：计算键的哈希值，通过哈希值计算出在数组中的索引位置。如果该位置上的元素为空，那么直接将键值对存储在该位置上。如果该位置上的元素不为空，那么遍历该位置上的元素，如果找到了与当前键相等的键值对，那么将该键值对的值更新为当前值，并返回旧值。如果该位置上的元素不为空，但没有与当前键相等的键值对，那么将键值对插入到链表或红黑树中。插入成功后，如果需要扩容，那么就进行一次扩容操作。
- remove：计算键的哈希值，通过哈希值计算出在数组中的索引位置。如果该位置上的元素为空，说明没有找到对应的键值对，直接返回null。如果该位置上的元素不为空，检查是否与当前键相等，如果相等，那么将该键值对删除，并返回该键值对的值。如果该位置上的元素不为空，但也与当前键不相等，那么就需要在链表或红黑树中继续查找。遍历链表或者红黑树，查找与当前键相等的键值对，找到则将该键值对删除，并返回该键值对的值，否则返回null。
扩容：
- 参数设置：
  - 初始容量=(需要存储的元素数/负载因子)+1
  - 负载因子=0.75
  - 阈值=容量*负载因子。超过阈值则扩容。
- 过程：
  - 桶节点没有形成链表: 直接rehash到其他桶中。
  - 桶中形成链表: 将链表重新链接。
  - 桶中的链表已经形成红黑树，但是链表中的元素个数小于6: 取消树化。
JDK 1.8改动：
- 引入红黑树。
- 节点 Entry 变为 Node。
- 尾插法。
- hash 方法，位运算和异或运算少了。
- 优化扩容机制。

ConcurrentHashMap

如何保证线程安全：
- JDK 1.7：分段锁。
- JDK1.8：节点锁，CAS+Synchronized。
  - 添加元素时，如果目标桶为空，那么使用CAS操作来添加新节点。
  - 如果目标桶不为空，对桶的第一个节点加 synchronized 锁，然后进行修改（链表或红黑树操作）。
哪些地方做了并发控制：
- 初始化桶、put元素、扩容。
如何保证fail-safe：
- 遍历使用弱一致性迭代器，迭代过程中反映的是某一时刻的快照，不会阻塞其他线程的修改操作。
- CAS+Synchronized，而每个桶的第一个结点是原子更新的。
多线程协同扩容。

Stream

并行流：利用多核处理器的并行能力来加速集合操作。基于Fork/Join框架，将大任务分解成多个小任务（Fork），并在多个线程中并行执行这些小任务（Join）。
流处理：
- 流的创建
- 中间操作：
  - filter 过滤
  - map 映射
  - limit/skip 筛选出/扔掉前n个元素
  - sorted 排序
  - distinct 去重
- 最终操作：
  - for each 迭代每个数据
  - count 元素数
  - collect 汇总

集合的并发安全

HashMap并发问题：头插法，多线程并发扩容时，出现循环引用问题。
如何将集合变成线程安全的：
- ReentrantLock、synchronized 对代码加锁。
- ThreadLocal，将集合放到线程内访问。但是这样集合中的值就不能被其他线程访问了。
- Collections.synchronizedXXX() 方法。可以获得一个线程安全的集合。
- 使用不可变集合进行封装。当集合是不可变的时候，自然是线程安全的。
COW：
- 读时，共享同一真正的内容；修改时，把真正的内容复制出去形成一个新的内容，再修改。
- 读写分离。读多写少。