2.312 JAVA集合框架核心汇总

 

  1. JAVA集合框架是什么

    1. 集合框架：用于存储数据的容器。集合框架是为表示和操作集合而规定的一种统一的标准的体系结构。
    2. 任何集合框架都包含三大块内容：对外的接口、接口的实现和对集合运算的算法。
    3. 集合框架通过提供有用的数据结构和算法使你能集中注意力于你的程序的重要部分上，而不是为了让程序能正常运转而将注意力于低层设计上。
    4. 通过这些在无关API之间的简易的互用性，使你免除了为改编对象或转换代码以便联合这些API而去写大量的代码。 它提高了程序速度和质量。
    5. 相关术语
      1. 接口：表示集合的抽象数据类型。接口允许我们操作集合时不必关注具体实现，从而达到“多态”。在面向对象编程语言中，接口通常用来形成规范。
      2. 实现：集合接口的具体实现，是重用性很高的数据结构。
      3. 算法：在一个实现了某个集合框架中的接口的对象身上完成某种有用的计算的方法，例如查找、排序等。这些算法通常是多态的，因为相同的方法可以在同一个接口被多个类实现时有不同的表现。事实上，算法是可复用的函数。它减少了程序设计的辛劳。
      4. 数据结构：就是容器中存储数据的方式。
        1. 对于集合容器，有很多种。因为每一个容器的自身特点不同，其实原理在于每个容器的内部数据结构不同。
        2. 集合容器在不断向上抽取过程中，出现了集合体系。在使用一个体系的原则：参阅顶层内容。建立底层对象。
    6. 集合和数组的区别
      1. 数组是固定长度的；集合可变长度的。
      2. 数组可以存储基本数据类型，也可以存储引用数据类型；集合只能存储引用数据类型。
      3. 数组存储的元素必须是同一个数据类型；集合存储的对象可以是不同数据类型。

  2. 这个技术的优缺点

    1. 集合的特点主要有如下两点：
      1. 对象封装数据，对象多了也需要存储。集合用于存储对象。
      2. 对象的个数确定可以使用数组，对象的个数不确定的可以用集合。因为集合是可变长度的。
    2. 使用集合框架的优点
      1. 容量自增长；
      2. 提供了高性能的数据结构和算法，使编码更轻松，提高了程序速度和质量；
      3. 允许不同 API 之间的互操作，API之间可以来回传递集合；
      4. 可以方便地扩展或改写集合，提高代码复用性和可操作性。
      5. 通过使用JDK自带的集合类，可以降低代码维护和学习新API成本。

  3. 这个技术的使用方式

    1. 常用的集合类有哪些？

      1. Map接口和Collection接口是所有集合框架的父接口：
      2. Collection接口的子接口包括：Set接口和List接口
      3. Map接口的实现类主要有：HashMap、TreeMap、Hashtable、ConcurrentHashMap以及Properties等
      4. Set接口的实现类主要有：HashSet、TreeSet、LinkedHashSet等
      5. List接口的实现类主要有：ArrayList、LinkedList、Stack以及Vector等

    2. Map，set，List三者的区别

      2. Java 容器分为 Collection 和 Map 两大类，Collection集合的子接口有Set、List、Queue三种子接口。我们比较常用的是Set、List，Map接口不是collection的子接口。
        1. Collection集合主要有List和Set两大接口
          1. List：元素有序，可重复线性列表，可以插入多个null元素，元素都有索引容器。查找效率高，插入和删除效率低，会引起位置改变。
            1. List子类底层数据结构
              1. Arraylist： Object数组（ArrayList 比较适合顺序添加、随机访问的场景。）
                1. ArrayList 的优点
                  1. ArrayList 底层以数组实现，是一种随机访问模式。ArrayList 实现了 RandomAccess 接口，因此查找的时候非常快。
                  2. ArrayList 在顺序添加一个元素的时候非常方便。
                2. ArrayList 的缺点
                  1. 删除元素的时候，需要做一次元素复制操作。如果要复制的元素很多，那么就会比较耗费性能。
                  2. 插入元素的时候，也需要做一次元素复制操作，缺点同上。
                3. 实现数组和 List 之间的转换？
                  1. 数组转 List：使用 Arrays. asList(array) 进行转换。
                  2. List 转数组：使用 List 自带的 toArray() 方法。
              2. Vector： Object数组（线程安全：Vector 使用了 Synchronized 来实现线程同步，是线程安全的）
                1. ArrayList 和 Vector 的区别是什么？
                  1. 线程安全：Vector 使用了 Synchronized 来实现线程同步，是线程安全的，而 ArrayList 是非线程安全的。
                  2. 性能：ArrayList 在性能方面要优于 Vector。
                  3. 扩容：ArrayList 和 Vector 都会根据实际的需要动态的调整容量，只不过在 Vector 扩容每次会增加 1 倍，而 ArrayList 只会增加 50%。
              3. LinkedList： 双向循环链表
                1. ArrayList 和 LinkedList 的区别是什么？
                  1. 数据结构实现：ArrayList 是动态数组的数据结构实现，而 LinkedList 是双向链表的数据结构实现。
                  2. 随机访问效率：ArrayList 比 LinkedList 在随机访问的时候效率要高，因为 LinkedList 是线性的数据存储方式，所以需要移动指针从前往后依次查找。
                  3. 增加和删除效率：在非首尾的增加和删除操作，LinkedList 要比 ArrayList 效率要高，因为 ArrayList 增删操作要影响数组内的其他数据的下标。
                  4. 内存空间占用：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。
                  5. 线程安全：ArrayList 和 LinkedList 都是不同步的，也就是不保证线程安全；
              4. 怎样多线程场景下如何使用 ArrayList？
                1. ArrayList 不是线程安全的，如果遇到多线程场景，可以通过 Collections 的 synchronizedList 方法将其转换成线程安全的容器后再使用。例如像下面这样：
                2. List<String> synchronizedList = Collections.synchronizedList(list);
                3. synchronizedList.add("aaa");
                4. for (int i = 0; i < synchronizedList.size(); i++) {
                5. System.out.println(synchronizedList.get(i));
            2. 迭代器 Iterator 是什么？
              1. Iterator 接口提供遍历任何 Collection 的接口。我们可以从一个 Collection 中使用迭代器方法来获取迭代器实例。迭代器取代了 Java 集合框架中的 Enumeration，迭代器允许调用者在迭代过程中移除元素。
              2. Iterator特点
                1. Iterator 的特点是只能单向遍历，但是更加安全，因为它可以确保，在当前遍历的集合元素被更改的时候，就会抛出 ConcurrentModificationException 异常。
                2. 边遍历边修改 Collection 的唯一正确方式是使用 Iterator.remove() 方法，如下：
              3. Iterator 和 ListIterator 有什么区别？
                1. Iterator 可以遍历 Set 和 List 集合，而 ListIterator 只能遍历 List。
                2. Iterator 只能单向遍历，而 ListIterator 可以双向遍历（向前/后遍历）。
                3. ListIterator 实现 Iterator 接口，然后添加了一些额外的功能，比如添加一个元素、替换一个元素、获取前面或后面元素的索引位置
            3. 遍历一个 List 有哪些不同的方式
              1. for 循环遍历，基于计数器。在集合外部维护一个计数器，然后依次读取每一个位置的元素，当读取到最后一个元素后停止。
              2. 迭代器遍历，Iterator。Iterator 是面向对象的一个设计模式，目的是屏蔽不同数据集合的特点，统一遍历集合的接口。Java 在 Collections 中支持了 Iterator 模式。
              3. foreach 循环遍历。foreach 内部也是采用了 Iterator 的方式实现，使用时不需要显式声明 Iterator 或计数器。优点是代码简洁，不易出错；缺点是只能做简单的遍历，不能在遍历过程中操作数据集合，例如删除、替换。
              4. 最好的遍历方式
                1. 最佳实践：Java Collections 框架中提供了一个 RandomAccess 接口，用来标记 List 实现是否支持 Random Access。
                2. 如果一个数据集合实现了该接口，就意味着它支持 Random Access，按位置读取元素的平均时间复杂度为 O(1)，如ArrayList。
                3. 如果没有实现该接口，表示不支持 Random Access，如LinkedList。
                4. 推荐的做法就是，支持 Random Access 的列表可用 for 循环遍历，否则建议用 Iterator 或 foreach 遍历。
          2. Set：一个无序，不重复元素，只允许存入一个null元素，必须保证元素唯一性。查询效率低，插入和删除速度快。
            1. SET的子类
              1. HashSet（无序，唯一）：基于 HashMap 实现的，底层采用 HashMap 来保存元素，HashSet 不允许重复的值，可单值为null。
                1. HashSet的值存放于HashMap的key上，HashMap的value统一为PRESENT，因此 HashSet 的实现比较简单，相关 HashSet 的操作，基本上都是直接调用底层 HashMap 的相关方法来完成，HashSet 不允许重复的值。
                2. HashSet如何检查重复？HashSet是如何保证数据不可重复的？
                  1. 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。
                  2. HashSet 中的add ()方法会使用HashMap 的put()方法。
                  3. HashMap 的 key 是唯一的，由源码可以看出 HashSet 添加进去的值就是作为HashMap 的key，并且在HashMap中如果K/V相同时，会用新的V覆盖掉旧的V，然后返回旧的V。所以不会重复（ HashMap 比较key是否相等是先比较hashcode 再比较equals ）
                3. hashCode（）与equals（）的相关规定：
                  1. 如果两个对象相等，则hashcode一定也是相同的
                  2. 两个对象相等,对两个equals方法返回true
                  3. 两个对象有相同的hashcode值，它们也不一定是相等的
                  4. 综上，equals方法被覆盖过，则hashCode方法也必须被覆盖
                  5. hashCode()的默认行为是对堆上的对象产生独特值。如果没有重写hashCode()，则该class的两个对象无论如何都不会相等（即使这两个对象指向相同的数据）。
                4. ==与equals的区别
                  1. ==是判断两个变量或实例是不是指向同一个内存空间 equals是判断两个变量或实例所指向的内存空间的值是不是相同
                  2. ==是指对内存地址进行比较 equals()是对字符串的内容进行比较
                  3. ==指引用是否相同 equals()指的是值是否相同
              2. LinkedHashSet： LinkedHashSet 继承与 HashSet，并且其内部是通过 LinkedHashMap 来实现的。有点类似于我们之前说的LinkedHashMap 其内部是基于 Hashmap 实现一样，不过还是有一点点区别的。
              3. TreeSet（有序，唯一）： 红黑树(自平衡的排序二叉树。)
            2. List 和 Set 的区别，List , Set 都是继承自Collection 接口
              1. List 特点：一个有序（元素存入集合的顺序和取出的顺序一致）容器，元素可以重复，可以插入多个null元素，元素都有索引。常用的实现类有 ArrayList、LinkedList 和 Vector。
              2. Set 特点：一个无序（存入和取出顺序有可能不一致）容器，不可以存储重复元素，只允许存入一个null元素，必须保证元素唯一性。Set 接口常用实现类是 HashSet、LinkedHashSet 以及 TreeSet。
              3. 另外 List 支持for循环，也就是通过下标来遍历，也可以用迭代器，但是set只能用迭代，因为他无序，无法用下标来取得想要的值。
              4. Set和List场景对比
                1. Set：检索元素效率低下，删除和插入效率高，插入和删除不会引起元素位置改变。
                2. List：和数组类似，List可以动态增长，查找元素效率高，插入删除元素效率低，因为会引起其他元素位置改变
          3. Queue
            1. BlockingQueue是什么？
              1. Java.util.concurrent.BlockingQueue是一个队列，在进行检索或移除一个元素的时候，它会等待队列变为非空；当在添加一个元素时，它会等待队列中的可用空间。BlockingQueue接口是Java集合框架的一部分，主要用于实现生产者-消费者模式。我们不需要担心等待生产者有可用的空间，或消费者有可用的对象，因为它都在BlockingQueue的实现类中被处理了。Java提供了集中BlockingQueue的实现，比如ArrayBlockingQueue、LinkedBlockingQueue、PriorityBlockingQueue,、SynchronousQueue等。
            2. 在 Queue 中 poll()和 remove()有什么区别？
              1. 相同点：都是返回第一个元素，并在队列中删除返回的对象。
              2. 不同点：如果没有元素 poll()会返回 null，而 remove()会直接抛出 NoSuchElementException 异常。
        2. Map接口
          1. Map 的常用实现类：键值对map的key是hastset相关，value和虚值PRESENT相关。HashMap、TreeMap、HashTable、LinkedHashMap、ConcurrentHashMap
            1. HashMap(j建议看源码)：
              1. 在Java中，保存数据有两种比较简单的数据结构：数组和链表。数组的特点是：寻址容易，插入和删除困难；链表的特点是：寻址困难，但插入和删除容易；所以我们将数组和链表结合在一起，发挥两者各自的优势，使用一种叫做拉链法的方式可以解决哈希冲突。
              2. 解决哈希冲突
                1. 哈希是什么
                  1. Hash，一般翻译为“散列”，也有直接音译为“哈希”的，这就是把任意长度的输入通过散列算法，变换成固定长度的输出，该输出就是散列值（哈希值）；这种转换是一种压缩映射，也就是，散列值的空间通常远小于输入的空间，不同的输入可能会散列成相同的输出，所以不可能从散列值来唯一的确定输入值。简单的说就是一种将任意长度的消息压缩到某一固定长度的消息摘要的函数。
                2. 什么是哈希冲突？
                  1. 当两个不同的输入值，根据同一散列函数计算出相同的散列值的现象，我们就把它叫做碰撞（哈希碰撞）。
                3. 简单总结一下HashMap是使用了哪些方法来有效解决哈希冲突的：
                  1. 使用链地址法（使用散列表）来链接拥有相同hash值的数据；
                  2. 使用2次扰动函数（hash函数）来降低哈希冲突的概率，使得数据分布更平均；
                  3. 引入红黑树进一步降低遍历的时间复杂度，使得遍历更快；
              3. HashMapJDK1.7和1.8的区别！！！重点
                1. JDK1.7是HashMap由数组+链表组成的，数组是HashMap的主体，链表则是主要为了解决哈希冲突而存在的（“拉链法”解决冲突），头插入导致死循环问题
                2. JDK1.8之后数组+链表+红黑树（链表节点大于8且数组长度大于64，红黑树转换）尾插入解决死循环问题，HashMap是基于哈希表的Map接口的非同步实现时间复杂度为O（1）
                  1. HashMap初始值是16（JDK源码1<<4），负载因子0.75，遍历方式是集中式扩容（延伸Redis的Hash字典是渐进式扩容，底层结构是HashMap1.7的结构）
                  2. 链表节点大于8且数组长度大于64，8和64都是2的幂次方，为了数组的分布均匀，方便位运算
                  3. key值先通过hashCode确认在数组中位置，然后通过equal（）确定在链表中位置。
                  4. 虽然hashMap尾插入解决了死循环的问题，但get、put方法没有加锁，所以线程不安全。
                3. 线程安全的场景实现方式
                  1.  使用Collections.synchronizedMap(Map)创建线程安全的map集合；
                    1. 在SynchronizedMap内部维护了一个普通对象Map，还有排斥锁mutex
                  2. Hashtable
                  3. ConcurrentHashMap
            2. HashTable：对数据操作会上锁，源码synchronized修饰get方法，效率比较低下，并发度低
              1. HashMap 与 HashTable 有什么区别？答上几个点就可以
                1. 线程安全： HashMap 是非线程安全的，HashTable 是线程安全的；HashTable 内部的方法基本都经过 synchronized 修饰。（如果你要保证线程安全的话就使用 ConcurrentHashMap ）；
                2. 效率： 因为线程安全的问题，HashMap 要比 HashTable 效率高一点。另外，HashTable 基本被淘汰，不要在代码中使用它；
                3. 对Null key 和Null value的支持： HashMap 中，null 可以作为键，这样的键只有一个，可以有一个或多个键所对应的值为 null。但是在 HashTable 中 put 进的键值只要有一个 null，直接抛NullPointerException。
                  1. 迭代器不同：HashMap 中的 Iterator 迭代器是 fail-fast 的，而 Hashtable 的 Enumerator 不是 fail-fast 的。 所以，当其他线程改变了HashMap 的结构，
                  2. 快速失败（fail—fast）是java集合中的一种机制， 如：增加、删除元素，将会抛出在用迭代器遍历一个集合对象时，如果遍历过程中对集合对象的内容进行了修改（增加、删除、修改），则会抛出Concurrent Modification Exception。
                    1. 原理：集合在被遍历期间如果内容发生变化，就会改变modCount的值。
                    2. 这里异常的抛出条件是检测到 modCount！=expectedmodCount 这个条件。如果集合发生变化时修改modCount值刚好又设置为了expectedmodCount值，则异常不会抛出。
                    3. java.util包下的集合类都是快速失败的，不能在多线程下发生并发修改（迭代过程中被修改）算是一种安全机制吧。
                    4. 扩展：Tip：安全失败（fail—safe）大家也可以了解下，java.util.concurrent包下的容器都是安全失败，可以在多线程下并发使用，并发修改。
                4. 初始容量大小和每次扩充容量大小的不同 ： ①创建时如果不指定容量初始值，Hashtable 默认的初始大小为11，之后每次扩充，容量变为原来的2n+1。HashMap 默认的初始化大小为16。之后每次扩充，容量变为原来的2倍。②创建时如果给定了容量初始值，那么 Hashtable 会直接使用你给定的大小，而 HashMap 会将其扩充为2的幂次方大小。也就是说 HashMap 总是使用2的幂作为哈希表的大小，后面会介绍到为什么是2的幂次方。
                5. 底层数据结构： JDK1.8 以后的 HashMap 在解决哈希冲突时有了较大的变化，当链表长度大于阈值（默认为8）时，将链表转化为红黑树，以减少搜索时间。Hashtable 没有这样的机制。
                6. 推荐使用：在 Hashtable 的类注释可以看到，Hashtable 是保留类不建议使用，推荐在单线程环境下使用 HashMap 替代，如果需要多线程使用则用 ConcurrentHashMap 替代。
              2. ConcurrentHashMap
                1. ConcurrentHashMap1.7，采用了分段锁技术，其中 Segment 继承于 ReentrantLock。
                  1. ConcurrentHashMap 的 get 方法是非常高效的，因为整个过程都不需要加锁。
                  2. 因为基本上还是数组加链表的方式，我们去查询的时候，还得遍历链表，会导致效率很低，这个跟jdk1.7的HashMap是存在的一样问题，所以他在jdk1.8完全优化了。
                2. ConcurrentHashMap1.8抛弃了原有的 Segment 分段锁，而采用了 CAS + synchronized 来保证并发安全性。
                  1. 跟HashMap很像，也把之前的HashEntry改成了Node，但是作用不变，把值和next采用了volatile去修饰，保证了可见性，并且也引入了红黑树，在链表大于一定值的时候会转换（默认是8）。
                  2. CAS 是乐观锁的一种实现方式，是一种轻量级锁，JUC 中很多工具类的实现就是基于 CAS 的。（ABA问题，版本号解决）
                  3. synchronized 获取锁的方式1.6之后，JVM 使用了锁升级的优化方式，就是先使用偏向锁优先同一线程然后再次获取锁，如果失败，就升级为 CAS 轻量级锁，如果失败就会短暂自旋，防止线程被系统挂起。最后如果以上都失败就升级为重量级锁。
            3. TreeMap： 红黑树（自平衡的排序二叉树）
            4. LinkedHashMap：LinkedHashMap 继承自 HashMap，所以它的底层仍然是基于拉链式散列结构即由数组和链表或红黑树组成。另外，LinkedHashMap 在上面结构的基础上，增加了一条双向链表，使得上面的结构可以保持键值对的插入顺序。同时通过对链表进行相应的操作，实现了访问顺序相关逻辑。
          2. Collection 和 Collections 有什么区别？
            1. java.util.Collection 是一个集合接口（集合类的一个顶级接口）。它提供了对集合对象进行基本操作的通用接口方法。Collection接口在Java 类库中有很多具体的实现。Collection接口的意义是为各种具体的集合提供了最大化的统一操作方式，其直接继承接口有List与Set。
            2. Collections则是集合类的一个工具类/帮助类，其中提供了一系列静态方法，用于对集合中元素进行排序、搜索以及线程安全等各种操作。
              1. 排序(Sort)
              2. 混排（Shuffling）
              3. 反转(Reverse)
          3. 能否使用任何类作为 Map 的 key？
            1. 可以使用任何类作为 Map 的 key，然而在使用之前，需要考虑以下几点：
              1. 如果类重写了 equals() 方法，也应该重写 hashCode() 方法。
              2. 类的所有实例需要遵循与 equals() 和 hashCode() 相关的规则。
              3. 如果一个类没有使用 equals()，不应该在 hashCode() 中使用它。
              4. 用户自定义 Key 类最佳实践是使之为不可变的，这样 hashCode() 值可以被缓存起来，拥有更好的性能。不可变的类也可以确保 hashCode() 和 equals() 在未来不会改变，这样就会解决与可变相关的问题了。
            2. 为什么HashMap中String、Integer这样的包装类适合作为K？
              1. 答：String、Integer等包装类的特性能够保证Hash值的不可更改性和计算准确性，能够有效的减少Hash碰撞的几率
                1. 都是final类型，即不可变性，保证key的不可更改性，不会存在获取hash值不同的情况
                2. 内部已重写了equals()、hashCode()等方法，遵守了HashMap内部的规范（不清楚可以去上面看看putValue的过程），不容易出现Hash值计算错误的情况；
            3. 如果使用Object作为HashMap的Key，应该怎么办呢？
              1. 重写hashCode()和equals()方法
                1. 重写hashCode()是因为需要计算存储数据的存储位置，需要注意不要试图从散列码计算中排除掉一个对象的关键部分来提高性能，这样虽然能更快但可能会导致更多的Hash碰撞；
                2. 重写equals()方法，需要遵守自反性、对称性、传递性、一致性以及对于任何非null的引用值x，x.equals(null)必须返回false的这几个特性，目的是为了保证key在哈希表中的唯一性；
      3. 哪些集合类是线程安全的？
        1. vector：就比arraylist多了个同步化机制（线程安全），因为效率较低，现在已经不太建议使用。在web应用中，特别是前台页面，往往效率（页面响应速度）是优先考虑的。
        2. statck：堆栈类，先进后出。
        3. hashtable：就比hashmap多了个线程安全。
        4. enumeration：枚举，相当于迭代器。
posted @ 2020-11-21 00:58  Smileing  阅读(83)  评论(0)  编辑  收藏  举报