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Java面试题全集(三)——集合

2024-08-17 09:05 由 等风来う 发表于 #后端开发

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在计算机科学的世界里，数据结构是构建高效、可靠软件的基石。而在Java这门优雅而强大的语言中，集合框架（Java Collections Framework）便是管理数据的心脏。它不仅提供了一种统一的架构来处理不同类型的数据集合，还确保了性能、线程安全和灵活性的完美平衡。本文将带领读者深入探索Java集合的奥秘，从基本的List和Set到复杂的Map和Queue，一一解析它们的特性、用途以及最佳实践。

集合框架概览

Java集合框架是Java 2平台的一部分，自1.2版本引入以来，已经成为Java标准库中不可或缺的一部分。它包含了一系列接口和实现类，用于存储、访问和操作数据集合。集合框架的设计遵循了以下几个核心原则：

  • 互操作性：集合类之间可以无缝交互，例如，你可以轻松地将一个列表（List）转换为一个集合（Set）。
  • 性能：集合类被优化以提供快速的数据访问和操作。
  • 线程安全：部分集合类提供了线程安全的版本，确保在多线程环境中数据的一致性。
  • 扩展性：集合框架的设计允许开发者容易地实现自定义的集合类。

核心接口和类

Java集合框架主要分为以下几类：

  • List：一个有序的集合，可以包含重复的元素。常见的实现类有ArrayList、LinkedList和Vector。
  • Set：一个不允许重复元素的集合。主要实现有HashSet、TreeSet和LinkedHashSet。
  • Map：存储键值对的集合，其中每个键只能映射一个值。HashMap、TreeMap和LinkedHashMap是其常见实现。
  • Queue：用于表示等待处理的元素的集合。ArrayDeque、LinkedList和PriorityQueue是这一集合类型的代表。
  • Collection： Collection 是集合 List、 Set、 Queue 的最基本的接口
  • Iterator：迭代器，可以通过迭代器遍历集合中的数据
  • Map：是映射表的基础接口

集合的使用场景

选择合适的集合类型取决于具体的应用场景和需求。例如，如果你需要快速随机访问集合中的元素，ArrayList可能是一个好选择；而如果你需要频繁地在集合的头部或尾部添加或删除元素，LinkedList或ArrayDeque可能更加合适。

List使用

Java 的 List 是非常常用的数据类型。 List 是有序的 Collection。 Java List 一共三个实现类：
分别是 ArrayList、 Vector 和 LinkedList

ArrayList（数组）

 ArrayList 是最常用的 List 实现类，内部是通过数组实现的，它允许对元素进行快速随机访问。数组的缺点是每个元素之间不能有间隔， ****当数组大小不满足时需要增加存储能力，就要将已经有数组的数据复制到新的存储空间中。 当从 ArrayList 的中间位置插入或者删除元素时，需要对数组进行复制、移动、代价比较高。因此，它适合随机查找和遍历，不适合插入和删除。***

Vector（ 数组实现、 线程同步）

Vector 与 ArrayList 一样，也是通过数组实现的，不同的是它支持线程的同步，即某一时刻只有一个线程能够写 Vector，避免多线程同时写而引起的不一致性，但实现同步需要很高的花费，因此，访问它比访问 ArrayList 慢。

LinkList（链表）

LinkedList 是用链表结构存储数据的，很适合数据的动态插入和删除，随机访问和遍历速度比较慢。另外，他还提供了 List 接口中没有定义的方法，专门用于操作表头和表尾元素，可以当作堆栈、队列和双向队列使用。

Set

Set 注重独一无二的性质,该体系集合用于存储无序(存入和取出的顺序不一定相同)元素， 值不能重复。对象的相等性本质是对象 hashCode 值（java 是依据对象的内存地址计算出的此序号） 判断的， 如果想要让两个不同的对象视为相等的，就必须覆盖 Object 的 hashCode 方法和 equals 方法。

HashSet（ Hash 表）

哈希表边存放的是哈希值。 HashSet 存储元素的顺序并不是按照存入时的顺序（和 List 显然不同） 而是按照哈希值来存的所以取数据也是按照哈希值取得。元素的哈希值是通过元素的hashcode 方法来获取的, HashSet 首先判断两个元素的哈希值，如果哈希值一样，接着会比较equals 方法 如果 equls 结果为 true ， HashSet 就视为同一个元素。如果 equals 为 false 就不是同一个元素。

哈希值相同 equals 为 false 的元素是怎么存储呢,就是在同样的哈希值下顺延（可以认为哈希值相同的元素放在一个哈希桶中）。也就是哈希一样的存一列。 如图 1 表示 hashCode 值不相同的情况； 图 2 表示 hashCode 值相同，但 equals 不相同的情况。

HashSet 通过 hashCode 值来确定元素在内存中的位置。 一个 hashCode 位置上可以存放多个元素。

TreeSet（二叉树）

  1. TreeSet()是使用二叉树的原理对新 add()的对象按照指定的顺序排序（升序、降序），每增加一个对象都会进行排序，将对象插入的二叉树指定的位置。

  2. Integer 和 String 对象都可以进行默认的 TreeSet 排序，而自定义类的对象是不可以的， 自己定义的类必须实现 Comparable 接口，并且覆写相应的 compareTo()函数，才可以正常使用。

  3. 在覆写 compare()函数时，要返回相应的值才能使 TreeSet 按照一定的规则来排序

  4. 比较此对象与指定对象的顺序。如果该对象小于、等于或大于指定对象，则分别返回负整数、零或正整数。

LinkHashSet（ HashSet+LinkedHashMap）

对于 LinkedHashSet 而言，它继承与 HashSet、又基于 LinkedHashMap 来实现的。LinkedHashSet 底层使用 LinkedHashMap 来保存所有元素，它继承与 HashSet，其所有的方法操作上又与 HashSet 相同，因此 LinkedHashSet 的实现上非常简单，只提供了四个构造方法，并通过传递一个标识参数，调用父类的构造器，底层构造一个 LinkedHashMap 来实现，在相关操作上与父类 HashSet 的操作相同，直接调用父类 HashSet 的方法即可。

HashMap（数组+链表+红黑树

HashMap 根据键的 hashCode 值存储数据，大多数情况下可以直接定位到它的值，因而具有很快的访问速度，但遍历顺序却是不确定的。 HashMap 最多只允许一条记录的键为 null，允许多条记录的值为 null。 HashMap 非线程安全，即任一时刻可以有多个线程同时写 HashMap，可能会导致数据的不一致。如果需要满足线程安全，可以用 Collections 的 synchronizedMap 方法使HashMap 具有线程安全的能力，或者使用 ConcurrentHashMap。 我们用下面这张图来介绍HashMap 的结构。


大方向上， HashMap 里面是一个数组，然后数组中每个元素是一个单向链表。上图中，每个绿色
的实体是嵌套类 Entry 的实例， Entry 包含四个属性： key, value, hash 值和用于单向链表的 next。

  1. capacity：当前数组容量，始终保持 2^n，可以扩容，扩容后数组大小为当前的 2 倍。
  2. loadFactor：负载因子，默认为 0.75。
  3. threshold：扩容的阈值，等于 capacity * loadFactor

Java8 对 HashMap 进行了一些修改， 最大的不同就是利用了红黑树，所以其由 数组+链表+红黑树 组成。根据 Java7 HashMap 的介绍，我们知道，查找的时候，根据 hash 值我们能够快速定位到数组的具体下标，但是之后的话， 需要顺着链表一个个比较下去才能找到我们需要的，时间复杂度取决于链表的长度，为 O(n)。为了降低这部分的开销，在 Java8 中， 当链表中的元素超过了 8 个以后，会将链表转换为红黑树，在这些位置进行查找的时候可以降低时间复杂度为 O(logN)。

最佳实践

在使用集合时，了解和遵循最佳实践是非常重要的：

  • 理解性能特点：不同的集合类在不同的操作下表现各异，了解这些差异可以帮助你做出更优的选择。
  • 利用不可变集合：当集合的内容不需要改变时，使用不可变集合可以提高程序的安全性和简洁性。
  • 注意线程安全：在多线程环境中，确保集合的线程安全，使用线程安全的集合类或同步包装器。

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