基礎篇：JAVA集合，面試專用

沒啥好說的，在座的各位都是靚仔

• List 陣列
• Vector 向量
• Stack 棧
• Map 對映字典
• Set 集合
• Queue 佇列
• Deque 雙向佇列

關注公眾號，一起交流，微信搜一搜: 潛行前行

• 一般佇列的通用方法

操作方法	丟擲異常	阻塞執行緒	返回特殊值	超時退出
插入元素	add(e)	put(e)	offer(e)	offer(e, timeout, unit)
移除元素	remove()	take()	poll()	pull(timeout, unit)
檢查	element()	peek()	無	無

1 List 陣列

• 元素按進入先後有序儲存，可重複
• List有兩種底層實現，一種是陣列，一種是連結串列，而連結串列的實現繼承了 Collection。陣列和集合的區別：
  • 陣列大小是固定，集合是可變的
  • 陣列的元素可以基本型別也可以是引用型別，而集合只能是引用型別

ArrayList

• ArrayList底層是使用一個可動態擴容的陣列，與普通陣列的區別就是它是沒有固定大小的限制，可以新增或刪除元素
• 它的特點就是讀速度、更新快，增刪慢；記憶體相鄰，根據Index讀取的時間複雜度是O(1)；可以儲存重複元素，但執行緒不安全
• ArrayList 的擴容機制

//ArrayList openJDK 13
private void add(E e, Object[] elementData, int s) {
    if (s == elementData.length) //放不下了
        elementData = grow(); // 擴容
    elementData[s] = e;
    size = s + 1;
}
private Object[] grow() {
    return grow(size + 1);
}
private Object[] grow(int minCapacity) {
    int oldCapacity = elementData.length;
    if (oldCapacity > 0 || elementData != DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
        int newCapacity = ArraysSupport.newLength(oldCapacity,
                minCapacity - oldCapacity,  // minCapacity - oldCapacity == 1
                oldCapacity >> 1 ); // oldCapacity == 1/2 oldCapacity
        return elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
    } else {
        return elementData = new Object[Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity)];
    }
}

• 如果當前元素放不下，則擴容至 1.5 倍，且大於等於 1

// ArraysSupport.newLength
public static int newLength(int oldLength, int minGrowth, int prefGrowth) {
    //prefGrowth 是 oldLength 的 1/2，minGrowth 是 1。因此 newLength = 1.5 oldLength
    int newLength = Math.max(minGrowth, prefGrowth) + oldLength;
    if (newLength - MAX_ARRAY_LENGTH <= 0) { // MAX_ARRAY_LENGTH = Integer.MAX_VALUE - 8
        return newLength;
    }
    return hugeLength(oldLength, minGrowth);
}

LinkedList

• LinkedList的節點並不是儲存真實的資料，而是存下資料的引用物件，而且節點之間使用引用相關聯
• LinkedList實現了Queue、Deque介面，可作為佇列使用；查詢慢，增刪快，可以儲存重複元素，但執行緒不安全
• 使用 LinkedList 實現LRU

public static class LRU<T> {
    //預設的快取大小
    private  int CAPACITY = 0;
    //引用一個雙向連結表
    private LinkedList<T> list;
    //建構函式
    public LRU(int capacity) {
        this.CAPACITY = capacity;
        list = new LinkedList();
    }
    //新增一個元素
    public synchronized void put(T object) {
        if (list != null && list.contains(object)) {
            list.remove(object);
        }
        removeLeastVisitElement();
        list.addFirst(object);
    }
    //移除最近訪問次數最少的元素
    private void removeLeastVisitElement() {
        int size = list.size();
        //注意，這兒必須得是CAPACITY - 1否則所獲的size比原來大1
        if (size > (CAPACITY - 1)) {
            Object object = list.removeLast();
        }
    }
    //獲取第N個索引下面的元素
    public  T get(int index) {
        return list.get(index);
    }
}

• LinkedList 的 API

public E getFirst() //獲取第一個元素
public E getLast()  //獲取最後一個元素
public E removeFirst() // 移除第一個元素，並返回
public E removeLast() // 移除最後一個元素，並返回
public void addFirst(E e) //加入頭部
public void addLast(E e)  //加入尾部
public void add(E e) //加入尾部
public boolean contains(Object o) //是否包含 元素 o
public E peek() //獲取頭部第一個元素
public E element()  // 獲取頭部第一個元素,不存在則報錯
public E poll() //獲取頭部第一個元素，並移除
public boolean offer(E e) // 呼叫 add(E e)
public boolean offerFirst(E e) // 呼叫 addFirst
public boolean offerLast(E e) // 呼叫 addLast
public void push(E e) //在頭部壓入一個元素
public E pop()  //彈出第一個元素，並移除。不存在則報錯

• ArrayList 和 LinkedList 使用場景
  • 頻繁訪問列表中的某一個元素，或者需要在列表末尾進行新增和刪除元素操作，用ArrayList
  • 頻繁的在列表開頭、中間、末尾等位置進行新增和刪除元素操作，用LinkedList

Iterator 和 fast-fail、fail-safe機制

• Java Iterator（迭代器）不是一個集合，它是一種用於訪問集合的方法，可用於迭代 List 和 Set 等集合，主要有hashNext()，next()，remove()三種方法
• fail-fast 是Java集合(Collection)的一種錯誤機制。當多個執行緒對同一個集合進行修改結構操作，使用集合的迭代器iterator，會首先檢測是否有對集合的併發修改，進而產生ConcurrentModificationException 異常提示
• fail-safe：保證在對任何集合結構的修改操作都基於 《複製-修改》 進行的，即先copy一個新的集合物件，然後對新的集合物件進行修改，最後將新的集合物件替換掉老的集合物件(老的集合物件的地址指向新的集合物件)。java.util.concurrent包下采用的是fail-safe機制。
  • 缺點1-對集合的複製copy會產生大量的物件，造成記憶體空間的浪費。
  • 缺點2-無法保證集合迭代過程中獲取的集合資料是最新的內容

CopyOnWriteArrayList

• CopyOnWriteArrayList 的執行緒安全：CopyOnWriteArrayList 在寫的時候會加鎖，為了保證寫安全，會在寫操作時複製一個新陣列來操作，然後覆蓋舊的陣列；不會影響讀的效能

public class CopyOnWriteArrayList<E>
    implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable {
    //可重入鎖
    final transient ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    //陣列，僅通過get和set方法操作
    private transient volatile Object[] array; 
    ....
    public boolean add(E e) {
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lock();
        try {
            Object[] elements = getArray();//拿到當前陣列
            int len = elements.length;//獲得長度
            //拷貝當前陣列
            Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
            newElements[len] = e;
            setArray(newElements); //呼叫set方法將新陣列設定為當前陣列
            return true;
        } finally {
            lock.unlock();//解鎖
        }
    }

• CopyOnWriteArrayList 的缺點
  • CopyOnWrite 在進行寫操作的時候，記憶體裡會同時駐紮兩個物件的記憶體，導致記憶體的浪費
  • CopyOnWrite 容器只能保證資料的最終一致性，不能保證資料的實時一致性。如果你希望寫入的的資料，馬上能讀到，請不要使用CopyOnWrite容器，沒有阻塞等待的概念
• CopyOnWriteArrayList 和 Collections.synchronizedList 區別
  • CopyOnWriteArrayList 的寫操作效能較差，而多執行緒的讀操作效能較好
  • Collections.synchronizedList的寫操作效能比CopyOnWriteArrayList在多執行緒操作的情況下要好很多，而讀操作因為是採用了 synchronized關鍵字的方式，其讀操作效能並不如CopyOnWriteArrayList

執行緒安全的List

• A:使用 Vector；B:使用 Collections.synchronized() 返回執行緒安全的 List；C:使用 CopyOnWriteArrayList

List的API示例

boolean contains(Object o) // 是否包含 o
boolean isEmpty(); // 是否為空
int size(); //集合元素
Iterator<E> iterator(); // 返回迭代器
Object[] toArray(); // 轉為 Object陣列
<T> T[] toArray(T[] a); // 轉為具體型別陣列
boolean add(E e); // 加入尾部
boolean remove(Object o); // 移除 o
boolean containsAll(Collection<?> c); //是否報考 集合 c
boolean addAll(Collection<? extends E> c);// 合併 c 
boolean retainAll(Collection<?> c);//保留只存在集合 c 的元素
void clear(); // 清除集合元素
void sort(Comparator<? super E> c) //根據 Comparator 排序
E get(int index); // 根據下標獲取 元素
E set(int index, E element); // 設定第 index 的元素
E remove(int index); // 移除 第 index 的元素
<E> List<E> of(E e1.....) // jdk 9
List<E> copyOf(Collection<? extends E> coll)  // 複製

2　Vector（向量）

ArrayList 和 Vector、LinkedList 的區別

• Vector 相當於是 ArrayList 執行緒安全的翻版
• Vector 繼承實現List 特點: 底層資料結構是陣列，查詢快，執行緒安全

Vector 的API示例

boolean synchronized contains(Object o);
boolean synchronized isEmpty();
boolean synchronized containsAll(Collection<?> c);
boolean addAll(Collection<? extends E> c);
public synchronized boolean add(E e)
public synchronized E get(int index);
public synchronized E set(int index, E element);
public synchronized E firstElement()
public synchronized void removeElementAt(int index)
public synchronized E lastElement()
public synchronized void setElementAt(E obj, int index)
public synchronized E remove(int index)
public void clear()
Iterator<E> iterator();

3 Stack（棧）

• Stack 是 Vector提供的一個子類，用於模擬"棧"這種資料結構(LIFO後進先出)
• 執行緒安全，允許 null 值

Stack 的API示例

public E push(E item) //推入棧頂
public synchronized E pop() // 彈出棧頂元素，不存在則報錯
public synchronized E peek() // 獲取棧頂元素，不移除
public boolean empty()  // 棧是否為空
public synchronized int search(Object o) // 搜尋元素 

4 Map

• Map 用於儲存具有對映關係的資料，Map裡儲存著兩種對映的資料：key和value，它們都可以使任何引用型別的資料，但key不能重複。所以通過指定的key就可以取出對應的value
• 請注意！！！Map 沒有繼承 Collection 介面

TreeMap(1.8JDK)

• 繼承 AbstractMap，TreeMap 是基於紅黑樹實現，可保證在log(n)時間複雜度內完成 containsKey，get，put 和 remove 操作，效率很高。（紅黑數的原理這裡不展開講，後面會專門寫一篇）
• 另一方面，由於 TreeMap 基於紅黑樹實現，因此 TreeMap 的鍵是有序的

HashMap

• HashMap 繼承AbstractMap類實現了Map，是一個雜湊表，它儲存的內容是鍵值對(key-value)對映。HashMap 實現了 Map 介面，根據鍵的 HashCode 值儲存資料，具有很快的訪問速度，最多允許一條記錄的鍵為 null，不支援執行緒同步。HashMap 是無序的，即不會記錄插入的順序
• HashMap如何處理hash衝突，hash衝突的幾種解決方法
  • 開放定址法
    • 線性探查在雜湊的時候，如果當前計算出的位置已經被儲存，那麼就順序的向後查詢，知道找到空位置或則是所有位置均不為空失敗
    • 二次探查使用一個輔助雜湊函式，使得後續的探查位置在前一個探查位置上加上一個偏移量，該偏移量以二次方的形式依賴於探查號i。二次探查的雜湊函式形式為：h(k,i)=(h'(k,i)+c1*i + c2 * i^2) mod m
    • 雙重雜湊使用兩個輔助雜湊函式h1和h2，初始的雜湊位置是h1(k)，後續的雜湊位置在此基礎上增加一個偏移量h2(k)*i mod m
  • 鏈地址法
    • 鏈地址法-如果存在 hash 碰撞，則建立一連結串列儲存相同的元素
    • 開放定址法容易導致 hash 碰撞，查詢慢
• HashMap 底層實現是陣列+連結串列+紅黑樹。空參的HashMap初始容量是16，預設載入因子為0.75。取值0.75是因為 0.5 容易浪費空間，取值 1 則需要填滿每一個桶，實際情況很難達到，會產生大量的雜湊碰撞。因此取中間值
• HashMap 的容量一般是 2 的冪次方，可直接使用“位與”計算 hash 值，相對取模計算 hash 快

Hashtable

• 繼承於Dictionary，現在基本已被淘汰
• HashTable的操作幾乎和HashMap一致，主要的區別在於HashTable為了實現多執行緒安全，在幾乎所有的方法上都加上了synchronized鎖，而加鎖的結果就是HashTable操作的效率十分低下
• HashMap允許有一個鍵為null，允許多個值為null；但HashTable不允許鍵或值為null
• Hash對映：HashMap的hash演算法通過非常規設計，將底層table長度設計為2的冪，使用位與運算代替取模運算，減少運算消耗；而HashTable的hash演算法首先使得hash值小於整型數最大值，再通過取模進行散射運算

LinkedHashMap

• LinkedHashMap的元素存取過程基本與HashMap基本類似，只是在細節實現上稍有不同。當然，這是由LinkedHashMap本身的特性所決定的，因為它額外維護了一個雙向連結串列用於保持迭代順序。此外，LinkedHashMap可以很好的支援LRU演算法。HashMap和雙向連結串列合二為一即是LinkedHashMap
  

WeakHashMap

• WeakHashMap 也是一個雜湊表，它儲存的內容也是鍵值對(key-value)對映，而且鍵和值都可以是 null
• WeakHashMap的鍵是“弱鍵”。在 WeakHashMap 中，當某個 key 不再被強引用使用時，會被從WeakHashMap中被 JVM 自動移除，然後它對應的鍵值對也會被從WeakHashMap中移除。JAVA引用型別和ThreadLocal

ConcurrentHashMap(1.8JDK)

• ConcurrentHashMap 是 HashMap 的多執行緒安全版本。它使用了細粒度鎖 和 cas 提高了在多執行緒環境的安全性和高併發
• 底層資料結構是 陣列 + 連結串列/紅黑樹（後面專門寫一篇介紹）

ConcurrentSkipListMap 瞭解一波

• ConcurrentSkipListMap 則是基於跳躍連結串列的實現的 map，使用了 cas 技術實現執行緒安全性，高併發
• ConcurrentSkipListMap 相比 ConcurrentHashMap 的優點
  • ConcurrentSkipListMap 的key是有序的。
  • ConcurrentSkipListMap 支援更高的併發。ConcurrentSkipListMap的存取時間是log（N），和執行緒數幾乎無關。也就是說在資料量一定的情況下，併發的執行緒越多，ConcurrentSkipListMap 越能體現出它的優勢

NavigableMap 和 ConcurrentNavigableMap 操作 key 值的範圍區間

• TreeMap 實現了 NavigableMap 。ConcurrentNavigableMap 高併發執行緒安全版的 TreeMap
• NavigableMap 提供了針對給定搜尋目標返回最接近匹配項的導航方法。直接看API

K lowerKey(K key)  // 找到第一個比指定的key小的值
K floorKey(K key)  // 找到第一個比指定的key小於或等於的key
K ceilingKey(K key) // 找到第一個大於或等於指定key的值
K higherKey(K key) // 找到第一個大於指定key的值
Map.Entry<K,V> firstEntry() // 獲取最小值
Map.Entry<K,V> lastEntry() // 獲取最大值
Map.Entry<K,V> pollFirstEntry() // 刪除最小的元素
Map.Entry<K,V> pollLastEntry() // 刪除最大的元素
NavigableMap<K,V> descendingMap() //返回一個倒序的Map 
// 返回值小於 toKey 的 NavigableMap
NavigableMap<K,V> headMap(K toKey, boolean inclusive)
// 返回值大於 fromKey 的 NavigableMap
NavigableMap<K,V> tailMap(K fromKey, boolean inclusive)
// 返回值小於 toKey 大於 的 fromKey NavigableMap
NavigableMap<K,V> subMap(K fromKey, boolean fromInclusive, K toKey,   boolean toInclusive)

5 Set（集合）

• Set特點：元素無放入順序，元素不可重複，如果加入重複元素，會保留最先加入的物件。存取速度快

Set 的幾種實現子類和各自特點

• TreeSet：底層資料結構採用二叉樹來實現，元素唯一且已經排好序；唯一性同樣需要重寫 hashCode 和 equals()方法，二叉樹結構保證了元素的有序
  • 根據構造方法不同，分為自然排序（無參構造）和比較器排序（有參構造），自然排序要求元素必須實現Compareable介面，並重寫裡面的compareTo()方法
• HashSet：是雜湊表實現的，HashSet中的資料是無序的，可以放入 null，但只能放入一個null，兩者中的值都不能重複，就如資料庫中唯一約束
  • HashSet 是基於 HashMap 演算法實現的，其效能通常都優於TreeSet
  • 為快速查詢而設計的Set，我們通常都會用到HashSet，若需要排序的功能時，才使用TreeSet
• LinkedHashSet：底層資料結構採用連結串列和雜湊表共同實現，連結串列保證了元素的順序與儲存順序一致，雜湊表保證了元素的唯一性，效率高。但執行緒不安全

ConcurrentSkipListSet

• 基於 ConcurrentSkipListMap 實現

CopyOnWriteArraySet

• 基於 CopyOnWriteArrayList 實現

BitSet

• BitSet是位操作的物件，值只有 0 或 1 即false和true，內部維護了一個long陣列，初始只有一個long，所以BitSet最小的size是64，當隨著儲存的元素越來越多，BitSet內部會動態擴充，最終內部是由N個long來儲存
• 如統計40億個資料中沒有出現的資料，將40億個不同資料進行排序等。\
• 現在有1千萬個隨機數，隨機數的範圍在1到1億之間。現在要求寫出一種演算法，將1到1億之間沒有在隨機數中的數求出來

void and(BitSet set) // 兩個BitSet 做與操作，結果並存入當前 BitSet
void andNot(BitSet set) //  兩個BitSet 與非操作
void flip(int index) // 反轉某一個指定 index 
boolean intersects(BitSet bitSet) // 是否有交集
int cardinality() //返回 true/1 的個數
void clear() // 重置
void clear(int startIndex, int endIndex) // startIndex~endIndex 重置
int nextSetBit(int startIndex) //檢索在startIndex之後出現為1的第一位的索引
int nextClearBit(int startIndex) //檢索在startIndex之後出現為0的第一位的索引

6 Queue（佇列）

• Queue的概念 佇列是一種特殊的線性表，只允許元素從佇列一端入隊，而另一端出隊（獲取元素），就像我們平時排隊結算一樣（懂文明講禮貌不插隊）。Queue 的資料結構和 List 一樣，可以基於陣列，連結串列實現，佇列通常都是一端進(offer)，另一端出(poll)，有序性

PriorityQueue

• PriorityQueue是按優先順序排序的佇列，也就是說 vip 可以插隊。優先佇列要求使用 Java Comparable 和 Comparator 介面給物件排序，並且在排序時會按照優先順序處理其中的元素
• PriorityBlockingQueue 是執行緒安全的PriorityQueue

BlockingQueue

• BlockingQueue很好的解決了多執行緒中，如何高效安全“傳輸”資料的問題。通過這些高效並且執行緒安全的佇列類，為我們快速搭建高質量的多執行緒程式帶來極大的便利。常用於執行緒的任務佇列
• DelayQueue
  • DelayQueue是一個沒有邊界BlockingQueue實現，加入元素必需實現Delayed介面。當生產者執行緒呼叫put之類的方法加入元素時，會觸發 Delayed 介面中的compareTo方法進行排序
  • 消費者執行緒檢視佇列頭部的元素，注意是檢視不是取出。然後呼叫元素的getDelay方法，如果此方法返回的值小0或者等於0，則消費者執行緒會從佇列中取出此元素，並進行處理。如果getDelay方法返回的值大於0，則消費者執行緒阻塞到第一元素過期

Queue 的 API

boolean add(E e); //加入佇列尾部
boolean offer(E e); // 加入佇列尾部，並返回結果
E remove(); //移除頭部元素
E poll();  // 獲取頭部元素，並移除
E element(); // 獲取頭部元素，不存在則報錯
E peek(); // 獲取頭部元素，不移除

7 Deque（雙向佇列）

• Deque介面代表一個"雙端佇列"，雙端佇列可以同時從兩端來新增、刪除元素，因此Deque的實現類既可以當成佇列使用、也可以當成棧使用
• Deque 的子類 LinkedList，ArrayDeque，LinkedBlockingDeque

Deque的 API

void addFirst(E e); //加入頭部
void addLast(E e);  //加入尾部
boolean offerFirst(E e); //加入頭部，並返回結果
boolean offerLast(E e); //加入尾部，並返回結果
E removeFirst(); // 移除第一個元素
E removeLast(); // 移除最後一個元素
E getFirst(); //獲取第一個元素,不存在則報錯
E getLast();  //獲取最後一個元素,不存在則報錯
E pollFirst(); //獲取第一個元素,並移除
E pollLast(); //獲取最後一個元素,並移除
E peekFirst(); //獲取第一個元素
E peekLast(); // 獲取最後一個元素
void push(E e); //加入頭部
E pop(); //彈出頭部元素

歡迎指正文中錯誤

參考文章

• java集合超詳解