Java基础常见面试题总结-集合（二）

迭代器 Iterator 是什么？

Iterator模式用同一种逻辑来遍历集合。它可以把访问逻辑从不同类型的集合类中抽象出来，不需要了解集合内部实现便可以遍历集合元素，统一使用 Iterator 提供的接口去遍历。它的特点是更加安全，因为它可以保证，在当前遍历的集合元素被更改的时候，就会抛出 ConcurrentModificationException 异常。

public interface Collection<E> extends Iterable<E> {Iterator<E> iterator();
}

主要有三个方法：hasNext()、next()和remove()。

Iterator 和 ListIterator 有什么区别？

ListIterator 是 Iterator的增强版。

  • ListIterator遍历可以是逆向的，因为有previous()和hasPrevious()方法，而Iterator不可以。
  • ListIterator有add()方法，可以向List添加对象，而Iterator却不能。
  • ListIterator可以定位当前的索引位置，因为有nextIndex()和previousIndex()方法，而Iterator不可以。
  • ListIterator可以实现对象的修改，set()方法可以实现。Iierator仅能遍历，不能修改。
  • ListIterator只能用于遍历List及其子类，Iterator可用来遍历所有集合。

如何让一个集合不能被修改？

可以采用Collections包下的unmodifiableMap/unmodifiableList/unmodifiableSet方法，通过这个方法返回的集合，是不可以修改的。如果修改的话，会抛出 java.lang.UnsupportedOperationException异常。

List<String> list = new ArrayList<>();
list.add("x");
Collection<String> clist = Collections.unmodifiableCollection(list);
clist.add("y"); // 运行时此行报错
System.out.println(list. size());

对于List/Set/Map集合，Collections包都有相应的支持。

那使用final关键字进行修饰可以实现吗？

答案是不可以。

final关键字修饰的成员变量如果是是引用类型的话，则表示这个引用的地址值是不能改变的，但是这个引用所指向的对象里面的内容还是可以改变的。

而集合类都是引用类型，用final修饰的话，集合里面的内容还是可以修改的。

并发容器

JDK 提供的这些容器大部分在 java.util.concurrent 包中。

  • ConcurrentHashMap: 线程安全的 HashMap
  • CopyOnWriteArrayList: 线程安全的 List，在读多写少的场合性能非常好，远远好于 Vector.
  • ConcurrentLinkedQueue: 高效的并发队列，使用链表实现。可以看做一个线程安全的 LinkedList，这是一个非阻塞队列。
  • BlockingQueue: 阻塞队列接口，JDK 内部通过链表、数组等方式实现了这个接口。非常适合用于作为数据共享的通道。
  • ConcurrentSkipListMap: 跳表的实现。使用跳表的数据结构进行快速查找。

ConcurrentHashMap

多线程环境下，使用Hashmap进行put操作会引起死循环，应该使用支持多线程的 ConcurrentHashMap。

JDK1.8 ConcurrentHashMap取消了segment分段锁，而采用CAS和synchronized来保证并发安全。数据结构采用数组+链表/红黑二叉树。synchronized只锁定当前链表或红黑二叉树的首节点，相比1.7锁定HashEntry数组，锁粒度更小，支持更高的并发量。当链表长度过长时，Node会转换成TreeNode，提高查找速度。

put执行流程？

在put的时候需要锁住Segment，保证并发安全。调用get的时候不加锁，因为node数组成员val和指针next是用volatile修饰的，更改后的值会立刻刷新到主存中，保证了可见性，node数组table也用volatile修饰，保证在运行过程对其他线程具有可见性。

transient volatile Node<K,V>[] table;static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {volatile V val;volatile Node<K,V> next;
}

put 操作流程：

  1. 如果table没有初始化就先进行初始化过程
  2. 使用hash算法计算key的位置
  3. 如果这个位置为空则直接CAS插入，如果不为空的话，则取出这个节点来
  4. 如果取出来的节点的hash值是MOVED(-1)的话，则表示当前正在对这个数组进行扩容，复制到新的数组，则当前线程也去帮助复制
  5. 如果这个节点，不为空，也不在扩容，则通过synchronized来加锁，进行添加操作，这里有两种情况，一种是链表形式就直接遍历到尾端插入或者覆盖掉相同的key，一种是红黑树就按照红黑树结构插入
  6. 链表的数量大于阈值8，就会转换成红黑树的结构或者进行扩容（table长度小于64）
  7. 添加成功后会检查是否需要扩容
怎么扩容？

数组扩容transfer方法中会设置一个步长，表示一个线程处理的数组长度，最小值是16。在一个步长范围内只有一个线程会对其进行复制移动操作。

ConcurrentHashMap 和 Hashtable 的区别？
  1. Hashtable通过使用synchronized修饰方法的方式来实现多线程同步，因此，Hashtable的同步会锁住整个数组。在高并发的情况下，性能会非常差。ConcurrentHashMap采用了更细粒度的锁来提高在并发情况下的效率。注：synchronized容器（同步容器）也是通过synchronized关键字来实现线程安全，在使用的时候会对所有的数据加锁。
  2. Hashtable默认的大小为11，当达到阈值后，每次按照下面的公式对容量进行扩充：newCapacity = oldCapacity * 2 + 1。ConcurrentHashMap默认大小是16，扩容时容量扩大为原来的2倍。

CopyOnWrite

Copy-On-Write，写时复制。当我们往容器添加元素时，不直接往容器添加，而是先将当前容器进行复制，复制出一个新的容器，然后往新的容器添加元素，添加完元素之后，再将原容器的引用指向新容器。这样做的好处就是可以对CopyOnWrite容器进行并发的读而不需要加锁，因为当前容器不会被修改。

    public boolean add(E e) {final ReentrantLock lock = this.lock;lock.lock(); //add方法需要加锁try {Object[] elements = getArray();int len = elements.length;Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1); //复制新数组newElements[len] = e;setArray(newElements); //原容器的引用指向新容器return true;} finally {lock.unlock();}}

从JDK1.5开始Java并发包里提供了两个使用CopyOnWrite机制实现的并发容器，它们是CopyOnWriteArrayList和CopyOnWriteArraySet。

缺点：

  • 内存占用问题。由于CopyOnWrite的写时复制机制，在进行写操作的时候，内存里会同时驻扎两个对象的内存。
  • CopyOnWrite容器不能保证数据的实时一致性，可能读取到旧数据。

CopyOnWriteArrayList

CopyOnWriteArrayList是Java并发包中提供的一个并发容器。CopyOnWriteArrayList相当于线程安全的ArrayList，CopyOnWriteArrayList使用了一种叫写时复制的方法，当有新元素add到CopyOnWriteArrayList时，先从原有的数组中拷贝一份出来，然后在新的数组做写操作，写完之后，再将原来的数组引用指向到新数组。

CopyOnWriteArrayList中add方法添加的时候是需要加锁的，保证同步，避免了多线程写的时候复制出多个副本。读的时候不需要加锁，如果读的时候有其他线程正在向CopyOnWriteArrayList添加数据，还是可以读到旧的数据。

CopyOnWrite并发容器用于读多写少的并发场景。

优点：

读操作性能很高，因为无需任何同步措施，比较适用于读多写少的并发场景。Java的list在遍历时，若中途有别的线程对list容器进行修改，则会抛出ConcurrentModificationException异常。而CopyOnWriteArrayList由于其"读写分离"的思想，遍历和修改操作分别作用在不同的list容器，所以在使用迭代器进行遍历时候，也就不会抛出ConcurrentModificationException异常了。

缺点：

一是内存占用问题，毕竟每次执行写操作都要将原容器拷贝一份，数据量大时，对内存压力较大，可能会引起频繁GC；

二是无法保证实时性，Vector对于读写操作均加锁同步，可以保证读和写的强一致性。而CopyOnWriteArrayList由于其实现策略的原因，写和读分别作用在新老不同容器上，在写操作执行过程中，读不会阻塞但读取到的却是老容器的数据。

ConcurrentLinkedQueue

非阻塞队列。高效的并发队列，使用链表实现。可以看做一个线程安全的 LinkedList，通过 CAS 操作实现。

如果对队列加锁的成本较高则适合使用无锁的 ConcurrentLinkedQueue 来替代。适合在对性能要求相对较高，同时有多个线程对队列进行读写的场景。

非阻塞队列中的几种主要方法：add(E e): 将元素e插入到队列末尾，如果插入成功，则返回true；如果插入失败（即队列已满），则会抛出异常； remove()：移除队首元素，若移除成功，则返回true；如果移除失败（队列为空），则会抛出异常； offer(E e)：将元素e插入到队列末尾，如果插入成功，则返回true；如果插入失败（即队列已满），则返回false； poll()：移除并获取队首元素，若成功，则返回队首元素；否则返回null； peek()：获取队首元素，若成功，则返回队首元素；否则返回null

对于非阻塞队列，一般情况下建议使用offer、poll和peek三个方法，不建议使用add和remove方法。因为使用offer、poll和peek三个方法可以通过返回值判断操作成功与否，而使用add和remove方法却不能达到这样的效果。

阻塞队列

阻塞队列是java.util.concurrent包下重要的数据结构，BlockingQueue提供了线程安全的队列访问方式：当阻塞队列进行插入数据时，如果队列已满，线程将会阻塞等待直到队列非满；从阻塞队列取数据时，如果队列已空，线程将会阻塞等待直到队列非空。并发包下很多高级同步类的实现都是基于BlockingQueue实现的。BlockingQueue 适合用于作为数据共享的通道。

使用阻塞算法的队列可以用一个锁（入队和出队用同一把锁）或两个锁（入队和出队用不同的锁）等方式来实现。

阻塞队列和一般的队列的区别就在于：

  1. 多线程支持，多个线程可以安全的访问队列
  2. 阻塞操作，当队列为空的时候，消费线程会阻塞等待队列不为空；当队列满了的时候，生产线程就会阻塞直到队列不满

方法

方法\处理方式抛出异常返回特殊值一直阻塞超时退出
插入方法add(e)offer(e)put(e)offer(e,time,unit)
移除方法remove()poll()take()poll(time,unit)
检查方法element()peek()不可用不可用
JDK提供的阻塞队列

JDK 7 提供了7个阻塞队列，如下

1、ArrayBlockingQueue

有界阻塞队列，底层采用数组实现。ArrayBlockingQueue 一旦创建，容量不能改变。其并发控制采用可重入锁来控制，不管是插入操作还是读取操作，都需要获取到锁才能进行操作。此队列按照先进先出（FIFO）的原则对元素进行排序。默认情况下不能保证线程访问队列的公平性，参数fair可用于设置线程是否公平访问队列。为了保证公平性，通常会降低吞吐量。

private static ArrayBlockingQueue<Integer> blockingQueue = new ArrayBlockingQueue<Integer>(10,true);//fair

2、LinkedBlockingQueue

LinkedBlockingQueue是一个用单向链表实现的有界阻塞队列，可以当做无界队列也可以当做有界队列来使用。通常在创建 LinkedBlockingQueue 对象时，会指定队列最大的容量。此队列的默认和最大长度为Integer.MAX_VALUE。此队列按照先进先出的原则对元素进行排序。与 ArrayBlockingQueue 相比起来具有更高的吞吐量。

3、PriorityBlockingQueue

支持优先级的无界阻塞队列。默认情况下元素采取自然顺序升序排列。也可以自定义类实现compareTo()方法来指定元素排序规则，或者初始化PriorityBlockingQueue时，指定构造参数Comparator来进行排序。

PriorityBlockingQueue 只能指定初始的队列大小，后面插入元素的时候，如果空间不够的话会自动扩容。

PriorityQueue 的线程安全版本。不可以插入 null 值，同时，插入队列的对象必须是可比较大小的（comparable），否则报 ClassCastException 异常。它的插入操作 put 方法不会 block，因为它是无界队列（take 方法在队列为空的时候会阻塞）。

4、DelayQueue

支持延时获取元素的无界阻塞队列。队列使用PriorityBlockingQueue来实现。队列中的元素必须实现Delayed接口，在创建元素时可以指定多久才能从队列中获取当前元素。只有在延迟期满时才能从队列中提取元素。

5、SynchronousQueue

不存储元素的阻塞队列，每一个put必须等待一个take操作，否则不能继续添加元素。支持公平访问队列。

SynchronousQueue可以看成是一个传球手，负责把生产者线程处理的数据直接传递给消费者线程。队列本身不存储任何元素，非常适合传递性场景。SynchronousQueue的吞吐量高于LinkedBlockingQueue和ArrayBlockingQueue。

6、LinkedTransferQueue

由链表结构组成的无界阻塞TransferQueue队列。相对于其他阻塞队列，多了tryTransfer和transfer方法。

transfer方法：如果当前有消费者正在等待接收元素（take或者待时间限制的poll方法），transfer可以把生产者传入的元素立刻传给消费者。如果没有消费者等待接收元素，则将元素放在队列的tail节点，并等到该元素被消费者消费了才返回。

tryTransfer方法：用来试探生产者传入的元素能否直接传给消费者。如果没有消费者在等待，则返回false。和上述方法的区别是该方法无论消费者是否接收，方法立即返回。而transfer方法是必须等到消费者消费了才返回。

原理

JDK使用通知模式实现阻塞队列。所谓通知模式，就是当生产者往满的队列里添加元素时会阻塞生产者，当消费者消费了一个队列中的元素后，会通知生产者当前队列可用。

ArrayBlockingQueue使用Condition来实现：

private final Condition notEmpty;
private final Condition notFull;public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair) {if (capacity <= 0)throw new IllegalArgumentException();this.items = new Object[capacity];lock = new ReentrantLock(fair);notEmpty = lock.newCondition();notFull =  lock.newCondition();
}public E take() throws InterruptedException {final ReentrantLock lock = this.lock;lock.lockInterruptibly();try {while (count == 0) // 队列为空时，阻塞当前消费者notEmpty.await();return dequeue();} finally {lock.unlock();}
}public void put(E e) throws InterruptedException {checkNotNull(e);final ReentrantLock lock = this.lock;lock.lockInterruptibly();try {while (count == items.length)notFull.await();enqueue(e);} finally {lock.unlock();}
}private void enqueue(E x) {final Object[] items = this.items;items[putIndex] = x;if (++putIndex == items.length)putIndex = 0;count++;notEmpty.signal(); // 队列不为空时，通知消费者获取元素
}
eue();} finally {lock.unlock();}
}public void put(E e) throws InterruptedException {checkNotNull(e);final ReentrantLock lock = this.lock;lock.lockInterruptibly();try {while (count == items.length)notFull.await();enqueue(e);} finally {lock.unlock();}
}private void enqueue(E x) {final Object[] items = this.items;items[putIndex] = x;if (++putIndex == items.length)putIndex = 0;count++;notEmpty.signal(); // 队列不为空时，通知消费者获取元素
}

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