入職大廠，齊姐精選的 9 道 Java 集合面試題

小齊本齊發表於2020-10-10
Java面試題

Java 集合框架其實都講過了，有一篇講 Collection 的，有一篇講 HashMap 的，那沒有看過的小夥伴快去補下啦，文末也都有連結；看過的小夥伴，那本文就是檢測學習成果的時候啦img

今天這篇文章是單純的從面試的角度出發，以回答面試題為線索，再把整個 Java 集合框架複習一遍，希望能幫助大家拿下面試。

先上圖：

當面試官問問題時，我會先把問題歸類，鎖定這個知識點在我的知識體系中的位置，然後延展開來想這一塊有哪些重點內容，面試官問這個是想考察什麼、接下來還想問什麼。

這樣自己的思路不會混亂，還能預測面試官下一個問題，或者，也可以引導面試官問出你精心準備的問題，這場面試本質上就是你在主導、你在 show off 自己紮實的基礎知識和良好的溝通交流能力。

其實我在 LRU 那篇文章裡就說到過這個觀點，然後就有讀者問我，說會不會被面試官看穿？

答：看出來了又怎樣？面試官閱人無數，是有可能看出來的，但是也只會莞爾一笑，覺得這個同學很用心。

精心準備面試既是對面試官個人時間的尊重，也是表明了你對這家公司的興趣，這樣的員工不是每家公司都想要的嗎？

好了，進入正題，今天就來解決這 9 大面試題。

1. ArrayList vs LinkedList

這題的問法很多，比如

  • 最簡單的就直接問 ArrayList 和 LinkedList 的區別和聯絡；
  • 或者問你什麼時候要選擇 ArrayList，什麼時候選擇 LinkedList；
  • 或者在你們聊到某個場景、或者在演算法題中，面試官問你如何選擇。

萬變不離其宗。

首先結論是：

  • 絕大多數的情形下都偏向於用 ArrayList，除非你有明確的要使用 LinkedList 的理由。
  • 如果你不確定用哪個，就用 ArrayList。

兩者在實現層面的區別是：

  • ArrayList 是用一個可擴容的陣列來實現的 (re-sizing array)；
  • LinkedList 是用 doubly-linked list 來實現的。

而陣列和連結串列之間最大的區別就是陣列是可以隨機訪問的（random access）。

這個特點造成了在陣列裡可以通過下標用 O(1) 的時間拿到任何位置的數，而連結串列則做不到，只能從頭開始逐個遍歷。

兩者在增刪改查操作上的區別：

  • 在「改查」這兩個功能上，因為陣列能夠隨機訪問，所以 ArrayList 的效率高；
  • 在「增刪」這兩個功能上，如果不考慮找到這個元素的時間，陣列因為物理上的連續性，當要增刪元素時，在尾部還好，但是其他地方就會導致後續元素都要移動，所以效率較低；而連結串列則可以輕鬆的斷開和下一個元素的連線，直接插入新元素或者移除舊元素。

但是呢，實際上你不能不考慮找到元素的時間啊。。。雖然 LinkedList 可以 O(1) 的時間插入和刪除元素，可以你得先找到地方啊！

不是有個例子麼，修理這個零件只需要 1 美元，但是找到這個零件需要 9999 美元。我們平時修 bug 也是如此，重點是找到 root cause 的過程。

而且如果是在尾部操作，資料量大時 ArrayList 會更快的。

事實上，LinkedList 是很多效能問題的 bug，那麼為什麼呢？

因為 ListNode 在實體記憶體裡的不連續，導致它用了很多小的記憶體片段，這會影響很多程式的效能以及 cache-locality（區域性性）；所以即便是理論上的時間複雜度和 ArrayList 一樣時，也會導致實際上比 ArrayList 慢很多。

2. ArrayList vs Vector

答：

  1. Vector 是執行緒安全的，而 ArrayList 是執行緒不安全的；

  2. 擴容時擴多少的區別，文鄒鄒的說法就是 data growth methods不同，

    • Vector 預設是擴大至 2 倍；
    • ArrayList 預設是擴大至 1.5 倍。

回顧下這張圖，

Vector 和 ArrayList 一樣，也是繼承自 java.util.AbstractList，底層也是用陣列來實現的。

但是現在已經被棄用了，因為它是執行緒安全的。任何好處都是有代價的，執行緒安全的代價就是效率低，在某些系統裡很容易成為瓶頸，所以現在大家不再在資料結構的層面加 synchronized，而是把這個任務轉移給我們程式設計師。

那怎麼知道擴容擴多少的呢？

看原始碼：


這是 Vecotr 的擴容實現，因為通常並不定義 capacityIncrement，所以預設情況下它是擴容兩倍。

VS

這是 ArrayList 的擴容實現，算術右移操作是把這個數的二進位制往右移動一位，最左邊補符號位，但是因為容量沒有負數，所以還是補 0.

那右移一位的效果就是除以 2，那麼定義的新容量就是原容量的 1.5 倍。

3. ArrayDeque vs LinkedList

首先要清楚它們之間的關係：

答：

  1. ArrayDeque 是一個可擴容的陣列，LinkedList 是連結串列結構；
  2. ArrayDeque 裡不可以存 null 值，但是 LinkedList 可以；
  3. ArrayDeque 在操作頭尾端的增刪操作時更高效，但是 LinkedList 只有在當要移除中間某個元素且已經找到了這個元素後的移除才是 O(1) 的；
  4. ArrayDeque 在記憶體使用方面更高效。
  5. 所以，只要不是必須要存 null 值，就選擇 ArrayDeque 吧！

那如果是一個很資深的面試官問你，什麼情況下你要選擇用 LinkedList 呢？

答：Java 6 以前。因為 ArrayDeque 在 Java 6 之後才有的。
為了版本相容的問題，實際工作中我們不得不做一些妥協。

4. HashSet 實現原理

答：

HashSet 是基於 HashMap 來實現的，底層採用 Hashmap 的 key 來儲存元素，主要特點是無序的，基本操作都是 O(1) 的時間複雜度，很快。
所以它的實現原理可以用 HashMap 的來解釋。

5. HashMap 實現原理

答：

  • 在 JDK1.6/1.7，陣列 + 連結串列；
  • 在 JDK 1.8，陣列 + 紅黑樹。

具體說來，

對於 HashMap 中的每個 key，首先通過 hash function 計算出一個雜湊值，這個雜湊值就代表了在桶裡的編號，而“桶”實際上是通過陣列來實現的，但是桶有可能比陣列大呀，所以把這個雜湊值模上陣列的長度得到它在陣列的 index，就這樣把它放在了陣列裡。

這是理想情況下的 HashMap，但現實中，不同的元素可能會算出相同的雜湊值，這就是雜湊碰撞，即多個 key 對應了同一個桶。

為了解決雜湊碰撞呢，Java 採用的是 Separate chaining 的解決方式，就是在碰撞的地方加個鏈子，也就是上文說的連結串列或者紅黑樹。

具體的 put() 和 get()這兩個重要 API 的操作過程和原理，大家可以在公眾號後臺回覆「HashMap」獲取文章閱讀。

6. HashMap vs HashTable

答：

  1. Hashtable 是執行緒安全的，HashMap 並非執行緒安全；
  2. HashMap 允許 key 中有 null 值，Hashtable 是不允許的。這樣的好處就是可以給一個預設值。

其實 HashMap 與 Hashtable 的關係，就像 ArrayList 與 Vector，以及 StringBuilder 與 StringBuffer。

Hashtable 是早期 JDK 提供的介面，HashMap 是新版的。這些新版的改進都是因為 Java 5.0 之後允許資料結構不考慮執行緒安全的問題，因為實際工作中我們發現沒有必要在資料結構的層面上上鎖，加鎖和放鎖在系統中是有開銷的，內部鎖有時候會成為程式的瓶頸。

所以 HashMap, ArrayList, StringBuilder 不再考慮執行緒安全的問題，效能提升了很多。

7. 為什麼改 equals() 一定要改 hashCode()？

答：

首先基於一個假設：任何兩個 object 的 hashCode 都是不同的。也就是 hash function 是有效的。

那麼在這個條件下，有兩個 object 是相等的，那如果不重寫 hashCode()，算出來的雜湊值都不一樣，就會去到不同的 buckets 了，就迷失在茫茫人海中了，再也無法相認，就和 equals() 條件矛盾了，證畢。

  1. hashCode() 決定了 key 放在這個桶裡的編號，也就是在陣列裡的 index；
  2. equals() 是用來比較兩個 object 是否相同的。

8. 如何解決雜湊衝突？

一般來說雜湊衝突有兩大類解決方式：

  • Separate chaining
  • Open addressing

Java 中採用的是第一種 Separate chaining，即在發生碰撞的那個桶後面再加一條“鏈”來儲存。

那麼這個“鏈”使用的具體是什麼資料結構，不同的版本稍有不同，上文也提到過了：

  • JDK1.6 和 1.7 是用連結串列儲存的，這樣如果碰撞很多的話，就變成了在連結串列上的查詢，worst case 就是 O(n)；
  • JDK 1.8 進行了優化，當連結串列長度較大時（超過 8），會採用紅黑樹來儲存，這樣大大提高了查詢效率。

（話說，這個還真的喜歡考，已經在多次面試中被問過了，還有面試官問為什麼是超過“8”才用紅黑樹 ?）

第二種方法 open addressing 也是非常重要的思想，因為在真實的分散式系統裡，有很多地方會用到 hash 的思想但又不適合用 seprate chaining。

這種方法是順序查詢，如果這個桶裡已經被佔了，那就按照“某種方式”繼續找下一個沒有被佔的桶，直到找到第一個空的。

如圖所示，John Smith 和 Sandra Dee 發生了雜湊衝突，都被計算到 152 號桶，於是 Sandra 就去了下一個空位 - 153 號桶，當然也會對之後的 key 發生影響：Ted Baker 計算結果本應是放在 153 號的，但鑑於已經被 Sandra 佔了，就只能再去下一個空位了，所以到了 154 號。

這種方式叫做 Linear probing 線性探查，就像上圖所示，一個個的順著找下一個空位。當然還有其他的方式，比如去找平方數 Double hashing.

9. Collection vs Collections

這倆看似相近，實則相差十萬八千里，就好像好人和好人卡的區別似的。

Collection 是

  • 集合介面；
  • 是 Java 集合框架 的 root interface；
  • 落腳點是一個 interface；
  • 包含了以下這些介面和類：

想系統學習 Collection，可以在公眾號內回覆「集合」，獲取爆款文章。

而 Collections 是工具類 utility class，是集合的操作類，提供了一些靜態方法供我們使用，比如：

  • addAll()
  • binarySearch()
  • sort()
  • shuffle()
  • reverse()

好了，以上就是集合的常考面試題彙總和答案了，希望不僅能幫助你拿下面試，也能真的理解透徹，靈活運用。

最近看到自己的文章在其他平臺被他人搬運，請大家認準全網統一唯一標識「碼農田小齊」，並且懇請大家如果看到沒有寫明作者和來源出處的我的文章，告知我一聲，這些文章都是自己的心肝寶貝啊嗷嗚～

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我是小齊，紐約程式媛，終生學習者，每天晚上 9 點，雲自習室裡不見不散！

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