Java面试：集合框架体系

一、ArrayList

1.数组（Array）

是一种用连续的内存空间存储相同数据类型数据的线性数据结构

数组如何获取其他元素的地址值？

寻址公式：a[i] = baseAddress + i * dataTypeSize

  • baseAddress：数组的首地址
  • dataTypeSize：代表数组中元素类型的大小，例如int型，dataTypeSize = 4个字节

面试题1：为什么数组索引从0开始呢？假如从1开始不行吗？

  • 在根据数组索引获取元素的时候，会用索引和寻址公式来计算内存所对应的元素数据，寻址公式是：数组的首地址+索引 * 存储数据的类型大小
  • 如果数组的索引从1开始，寻址公式中就需要增加一次减法操作，对于CPU来说就多了一次指令，影响性能

面试题2：操作数组的时间复杂度

  • 查找：随机查询（根据索引查询） O(1)
  • 查找：未知索引查询 O(n)
  • 查找：未知索引查询（将数组排序后）  二分查找O(log n)
  • 插入/删除：O(n)

2.ArrayList源码分析

（1）成员变量

（2）构造方法

（3）添加和扩容操作

面试题1：ArrayList底层的实现原理是什么？

  • ArrayList底层是用动态的数组实现的
  • ArrayList初始容量为0，当第一次添加数据的时候才会初始化容量为10
  • ArrayList在进行扩容的时候是原来容量的1.5倍，每次扩容都需要拷贝数组
  • ArrayList在添加数据的时候：
  • 确保数组已使用长度（size）加1之后足够存下下一个数据；
  • 计算数组的容量，如果当前数组已使用长度+1后的长度大于当前的数组长度，则调用grow方法扩容（原来的1.5倍）；
  • 确保新增的数据有地方存储之后，则将新元素添加到位于size的位置上；
  • 返回添加成功布尔值。

面试题2：ArrayList list = new ArrayList（10）中的list扩容几次？

  • 该语句只是声明和实例了一个ArrayList，指定了容量为10，未扩容

面试题3：如何实现数组和List之间的转换？

  • 数组转List，使用JDK中java.util.Arrays工具类的asList方法
  • List转数组，使用List的toArray方法。无参toArray方法返回Object数组，传入初始化长度的数组对象，返回该对象数组

追问：用Arrays.asList转List后，如果修改了数组内容，list受影响吗？List用toArray转数组后，如果修改了List内容，数组受影响吗？

  • Arrays.asList转换List之后，如果修改了数组的内容，list会受影响，因为它的底层使用的是Arrays类中的一个内部类ArrayList来构造的集合，在这个集合的构造器中，把我们传入的这个集合进行了包装而已，最终指向的都是同一个内存地址
  • list用了toArray转数组后，如果修改了list内容，数组不会影响，当调用了toArray以后，在底层是其进行了数组的拷贝，与原来的元素无关，所以即使list修改了以后，数组也不受影响

二、LinkedList

1.链表

链表操作数据的时间复杂度
查询新增删除
单向链表头O(1)，其他O(n)头O(1)，其他O(n)
双向链表

头尾O(1)，其他O(n)，

给定节点O(1)

头尾O(1)，其他O(n)，

给定节点O(1)

2.LinkedList源码分析

面试题1：ArrayList和LinkedList的区别是什么？

（1）底层数据结构

  • ArrayList是动态数组的数据结构实现
  • LinkedList是双向链表的数据结构实现

（2）操作数据效率

  • ArrayList按照下标查询的时间复杂度O(1)【内存是连续的，根据寻址公式】，LinkedList不支持下表查询
  • 查找（未知索引）：ArrayList需要遍历，链表也需要遍历，时间复杂度都是O(n)
  • 新增和删除：
  • ArrayList尾部插入和删除为O(1)，其他为O(n)
  • LinkedList头尾节点增删为O(1)，其他为O(n)

（3）内存空间占用

  • ArrayList底层是数组，内存连续，节省内存
  • LinkedList是双向链表需要存储数据，和两个指针，更占用内存

（4）线程安全

  • ArrayList和LinkedList都不是线程安全的
  • 如果需要保证线程安全，有两种方案：
  • 在方法内使用，局部变量则是线程安全的
  • 使用线程安全的ArrayList和LinkedList

补充：线程安全是编程中的术语，指某个函数、函数库在并发环境中被调用时，能够正确地处理多个线程之间的共享变量，使程序功能正确完成。

三、HashMap

1.二叉树

2.红黑树

3.散列表

4.HashMap源码分析

（1）常见属性

（2）添加数据

（3）扩容

（4）寻址（不会）

面试题1：说一下HashMap的实现原理？

  • 数据结构：底层使用hash表，即数组和链表或红黑树
  • 当我们往HashMap中put元素时，利用key的hashCode重新hash计算出当前对象的元素在数组中的下标
  • 存储时，如果出现hash值相同的key：
  • 如果key相同，则覆盖原始值；
  • 如果key不同（出现冲突），则将当前的key-value放入链表或红黑树中
  • 获取时，直接找到hash值对应的下标。在进一步判断key是否相同，从而找到对应值

补充：链表的长度大于8且数组长度大于64时，转换为红黑树

追问：HashMap的jdk1.7和jdk1.8有什么区别？

  • JDK1.8之前采用的是拉链法。拉链法：将链表和数组相结合。也就是说创建一个链表数组，数组中每一格就是一个链表。若遇到哈希冲突，则将冲突的值加到链表中即可
  • jdk1.8在解决哈希冲突时，当链表长度大于阈值（默认为8）且数组长度达到64时，将链表转化为红黑树，以减少搜索时间。扩容resize（）时，红黑树拆分成的树的结点数小于等于临界值6个，则退化成链表

面试题2：HashMap的put方法的具体流程？

  • 判断键值对数组table是否为空或为null，否则执行resize()进行扩容（初始化）
  • 根据键值key计算hash值得到数组索引
  • 判断table[i] == null条件成立，直接新建节点添加
  • 如果table[i] == null不成立：
  • 判断table[i]的首个元素是否和key一样，如果相同直接覆盖value
  • 判断table[i]是否为treeNode（即红黑树），如果是红黑树，则直接在树中插入键值对
  • 遍历table[i]，链表的尾部插入数据，然后判断链表长度是否大于8，如果大于8，将链表转换为红黑树，在红黑树中执行插入操作，遍历过程中若发现key已经存在则直接覆盖value
  • 插入成功后，判断实际存在的键值对数量size是否超过了最大容量，如果超过，进行扩容

面试题3：讲一讲HashMap的扩容机制

  • 在添加元素或初始化的时候需要调用resize方法进行扩容，第一次添加数据初始化数组长度为16，以后每次扩容都是达到了扩容阈值（数组长度*0.75）
  • 每次扩容的时候，都是扩容之前容量的两倍
  • 扩容之后，会新创建一个数组，需要把老数组中的数据挪动到新的数组中：
  • 没有hash冲突的节点，则直接使用e.hash&(newCap - 1)计算新数组的索引位置
  • 如果是红黑树，进行红黑树的添加
  • 如果是链表，则需要遍历链表，可能需要拆分链表，判断（e.hash&oldCap）是否为0，该元素的位置要么停留在原始位置，要么移动到（原始位置+增加的数组大小）这个位置上

面试题4：hashMap的寻址算法（不会）

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