基础篇:Java集合,面试专用

开发 后端
CopyOnWriteArrayList 的线程安全:CopyOnWriteArrayList 在写的时候会加锁,为了保证写安全,会在写操作时复制一个新数组来操作,然后覆盖旧的数组;不会影响读的性能。

本文转载自微信公众号「潜行前行」,作者 cscw。转载本文请联系潜行前行公众号。

没啥好说的,在座的各位都是靓仔

  • List 数组
  • Vector 向量
  • Stack 栈
  • Map 映射字典
  • Set 集合
  • Queue 队列
  • Deque 双向队列

一般队列的通用方法

操作方法 抛出异常 阻塞线程 返回特殊值 超时退出
插入元素 add(e) put(e) offer(e) offer(e, timeout, unit)
移除元素 remove() take() poll() pull(timeout, unit)
检查 element() peek()

1.List 数组

  • 元素按进入先后有序保存,可重复
  • List有两种底层实现,一种是数组,一种是链表,而链表的实现继承了 Collection。数组和集合的区别:
    • 数组大小是固定,集合是可变的
    • 数组的元素可以基本类型也可以是引用类型,而集合只能是引用类型

ArrayList

  • ArrayList底层是使用一个可动态扩容的数组,与普通数组的区别就是它是没有固定大小的限制,可以添加或删除元素
  • 它的特点就是读速度、更新快,增删慢;内存相邻,根据Index读取的时间复杂度是O(1);可以存储重复元素,但线程不安全
  • ArrayList 的扩容机制
  1. //ArrayList openJDK 13 
  2. private void add(E e, Object[] elementData, int s) { 
  3.     if (s == elementData.length) //放不下了 
  4.         elementData = grow(); // 扩容 
  5.     elementData[s] = e; 
  6.     size = s + 1; 
  7. private Object[] grow() { 
  8.     return grow(size + 1); 
  9. private Object[] grow(int minCapacity) { 
  10.     int oldCapacity = elementData.length; 
  11.     if (oldCapacity > 0 || elementData != DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) { 
  12.         int newCapacity = ArraysSupport.newLength(oldCapacity, 
  13.                 minCapacity - oldCapacity,  // minCapacity - oldCapacity == 1 
  14.                 oldCapacity >> 1 ); // oldCapacity == 1/2 oldCapacity 
  15.         return elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity); 
  16.     } else { 
  17.         return elementData = new Object[Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity)]; 
  18.     } 
  • 如果当前元素放不下,则扩容至 1.5 倍,且大于等于 1
  1. // ArraysSupport.newLength 
  2. public static int newLength(int oldLength, int minGrowth, int prefGrowth) { 
  3.     //prefGrowth 是 oldLength 的 1/2,minGrowth 是 1。因此 newLength = 1.5 oldLength 
  4.     int newLength = Math.max(minGrowth, prefGrowth) + oldLength; 
  5.     if (newLength - MAX_ARRAY_LENGTH <= 0) { // MAX_ARRAY_LENGTH = Integer.MAX_VALUE - 8 
  6.         return newLength; 
  7.     } 
  8.     return hugeLength(oldLength, minGrowth); 

LinkedList

  • LinkedList的节点并不是存储真实的数据,而是存下数据的引用对象,而且节点之间使用引用相关联
  • LinkedList实现了Queue、Deque接口,可作为队列使用;查找慢,增删快,可以存储重复元素,但线程不安全
  • 使用 LinkedList 实现LRU
  1. public static class LRU<T> { 
  2.     //默认的缓存大小 
  3.     private  int CAPACITY = 0; 
  4.     //引用一个双向链接表 
  5.     private LinkedList<T> list; 
  6.     //构造函数 
  7.     public LRU(int capacity) { 
  8.         this.CAPACITY = capacity; 
  9.         list = new LinkedList(); 
  10.     } 
  11.     //添加一个元素 
  12.     public synchronized void put(T object) { 
  13.         if (list != null && list.contains(object)) { 
  14.             list.remove(object); 
  15.         } 
  16.         removeLeastVisitElement(); 
  17.         list.addFirst(object); 
  18.     } 
  19.     //移除最近访问次数最少的元素 
  20.     private void removeLeastVisitElement() { 
  21.         int size = list.size(); 
  22.         //注意,这儿必须得是CAPACITY - 1否则所获的size比原来大1 
  23.         if (size > (CAPACITY - 1)) { 
  24.             Object object = list.removeLast(); 
  25.         } 
  26.     } 
  27.     //获取第N个索引下面的元素 
  28.     public  T get(int index) { 
  29.         return list.get(index); 
  30.     } 
  • LinkedList 的 API
  1. public E getFirst() //获取第一个元素 
  2. public E getLast()  //获取最后一个元素 
  3. public E removeFirst() // 移除第一个元素,并返回 
  4. public E removeLast() // 移除最后一个元素,并返回 
  5. public void addFirst(E e) //加入头部 
  6. public void addLast(E e)  //加入尾部 
  7. public void add(E e) //加入尾部 
  8. public boolean contains(Object o) //是否包含 元素 o 
  9. public E peek() //获取头部第一个元素 
  10. public E element()  // 获取头部第一个元素,不存在则报错 
  11. public E poll() //获取头部第一个元素,并移除 
  12. public boolean offer(E e) // 调用 add(E e) 
  13. public boolean offerFirst(E e) // 调用 addFirst 
  14. public boolean offerLast(E e) // 调用 addLast 
  15. public void push(E e) //在头部压入一个元素 
  16. public E pop()  //弹出第一个元素,并移除。不存在则报错 
  • ArrayList 和 LinkedList 使用场景
    • 频繁访问列表中的某一个元素,或者需要在列表末尾进行添加和删除元素操作,用ArrayList
    • 频繁的在列表开头、中间、末尾等位置进行添加和删除元素操作,用LinkedList

Iterator 和 fast-fail、fail-safe机制

  • Java Iterator(迭代器)不是一个集合,它是一种用于访问集合的方法,可用于迭代 List 和 Set 等集合,主要有hashNext(),next(),remove()三种方法
  • fail-fast 是Java集合(Collection)的一种错误机制。当多个线程对同一个集合进行修改结构操作,使用集合的迭代器iterator,会首先检测是否有对集合的并发修改,进而产生ConcurrentModificationException 异常提示
  • fail-safe:保证在对任何集合结构的修改操作都基于 《复制-修改》 进行的,即先copy一个新的集合对象,然后对新的集合对象进行修改,最后将新的集合对象替换掉老的集合对象(老的集合对象的地址指向新的集合对象)。java.util.concurrent包下采用的是fail-safe机制。
    • 缺点1-对集合的复制copy会产生大量的对象,造成内存空间的浪费。
    • 缺点2-无法保证集合迭代过程中获取的集合数据是最新的内容

CopyOnWriteArrayList

  • CopyOnWriteArrayList 的线程安全:CopyOnWriteArrayList 在写的时候会加锁,为了保证写安全,会在写操作时复制一个新数组来操作,然后覆盖旧的数组;不会影响读的性能
  1. public class CopyOnWriteArrayList<E> 
  2.     implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable { 
  3.     //可重入锁 
  4.     final transient ReentrantLock lock = new ReentrantLock(); 
  5.     //数组,仅通过get和set方法操作 
  6.     private transient volatile Object[] array;  
  7.     .... 
  8.     public boolean add(E e) { 
  9.         final ReentrantLock lock = this.lock; 
  10.         lock.lock(); 
  11.         try { 
  12.             Object[] elements = getArray();//拿到当前数组 
  13.             int len = elements.length;//获得长度 
  14.             //拷贝当前数组 
  15.             Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1); 
  16.             newElements[len] = e; 
  17.             setArray(newElements); //调用set方法将新数组设置为当前数组 
  18.             return true
  19.         } finally { 
  20.             lock.unlock();//解锁 
  21.         } 
  22.     } 
  • CopyOnWriteArrayList 的缺点
    • CopyOnWrite 在进行写操作的时候,内存里会同时驻扎两个对象的内存,导致内存的浪费
    • CopyOnWrite 容器只能保证数据的最终一致性,不能保证数据的实时一致性。如果你希望写入的的数据,马上能读到,请不要使用CopyOnWrite容器,没有阻塞等待的概念
  • CopyOnWriteArrayList 和 Collections.synchronizedList 区别
    • CopyOnWriteArrayList 的写操作性能较差,而多线程的读操作性能较好
    • Collections.synchronizedList的写操作性能比CopyOnWriteArrayList在多线程操作的情况下要好很多,而读操作因为是采用了 synchronized关键字的方式,其读操作性能并不如CopyOnWriteArrayList

线程安全的List

  • A:使用 Vector;B:使用 Collections.synchronized() 返回线程安全的 List;C:使用 CopyOnWriteArrayList

List的API示例

  1. boolean contains(Object o) // 是否包含 o 
  2. boolean isEmpty(); // 是否为空 
  3. int size(); //集合元素 
  4. Iterator<E> iterator(); // 返回迭代器 
  5. Object[] toArray(); // 转为 Object数组 
  6. <T> T[] toArray(T[] a); // 转为具体类型数组 
  7. boolean add(E e); // 加入尾部 
  8. boolean remove(Object o); // 移除 o 
  9. boolean containsAll(Collection<?> c); //是否报考 集合 c 
  10. boolean addAll(Collection<? extends E> c);// 合并 c  
  11. boolean retainAll(Collection<?> c);//保留只存在集合 c 的元素 
  12. void clear(); // 清除集合元素 
  13. void sort(Comparator<? super E> c) //根据 Comparator 排序 
  14. E get(int index); // 根据下标获取 元素 
  15. set(int index, E element); // 设置第 index 的元素 
  16. E remove(int index); // 移除 第 index 的元素 
  17. <E> List<E> of(E e1.....) // jdk 9 
  18. List<E> copyOf(Collection<? extends E> coll)  // 复制 

2.Vector(向量)

ArrayList 和 Vector、LinkedList 的区别

  • Vector 相当于是 ArrayList 线程安全的翻版
  • Vector 继承实现List 特点: 底层数据结构是数组,查询快,线程安全

Vector 的API示例

  1. boolean synchronized contains(Object o); 
  2. boolean synchronized isEmpty(); 
  3. boolean synchronized containsAll(Collection<?> c); 
  4. boolean addAll(Collection<? extends E> c); 
  5. public synchronized boolean add(E e) 
  6. public synchronized E get(int index); 
  7. public synchronized E set(int index, E element); 
  8. public synchronized E firstElement() 
  9. public synchronized void removeElementAt(int index
  10. public synchronized E lastElement() 
  11. public synchronized void setElementAt(E obj, int index
  12. public synchronized E remove(int index
  13. public void clear() 
  14. Iterator<E> iterator(); 

3.Stack(栈)

  • Stack 是 Vector提供的一个子类,用于模拟"栈"这种数据结构(LIFO后进先出)
  • 线程安全,允许 null 值

Stack 的API示例

  1. public E push(E item) //推入栈顶 
  2. public synchronized E pop() // 弹出栈顶元素,不存在则报错 
  3. public synchronized E peek() // 获取栈顶元素,不移除 
  4. public boolean empty()  // 栈是否为空 
  5. public synchronized int search(Object o) // 搜索元素  

4.Map

  • Map 用于保存具有映射关系的数据,Map里保存着两种映射的数据:key和value,它们都可以使任何引用类型的数据,但key不能重复。所以通过指定的key就可以取出对应的value
  • 请注意!!!Map 没有继承 Collection 接口

TreeMap(1.8JDK)

  • 继承 AbstractMap,TreeMap 是基于红黑树实现,可保证在log(n)时间复杂度内完成 containsKey,get,put 和 remove 操作,效率很高。(红黑树的原理这里不展开讲,后面会专门写一篇)
  • 另一方面,由于 TreeMap 基于红黑树实现,因此 TreeMap 的键是有序的

HashMap

  • HashMap 继承AbstractMap类实现了Map,是一个散列表,它存储的内容是键值对(key-value)映射。HashMap 实现了 Map 接口,根据键的 HashCode 值存储数据,具有很快的访问速度,最多允许一条记录的键为 null,不支持线程同步。HashMap 是无序的,即不会记录插入的顺序
  • HashMap如何处理hash冲突,hash冲突的几种解决方法
    • 链地址法-如果存在 hash 碰撞,则创建一链表存储相同的元素
    • 开放定址法容易导致 hash 碰撞,查询慢
    • 线性探查在散列的时候,如果当前计算出的位置已经被存储,那么就顺序的向后查找,知道找到空位置或则是所有位置均不为空失败
    • 二次探查使用一个辅助散列函数,使得后续的探查位置在前一个探查位置上加上一个偏移量,该偏移量以二次方的形式依赖于探查号i。二次探查的散列函数形式为:h(k,i)=(h'(k,i)+c1*i + c2 * i^2) mod m
    • 双重散列使用两个辅助散列函数h1和h2,初始的散列位置是h1(k),后续的散列位置在此基础上增加一个偏移量h2(k)*i mod m
    • 开放定址法
    • 链地址法
  • HashMap 底层实现是数组+链表+红黑树。空参的HashMap初始容量是16,默认加载因子为0.75。取值0.75是因为 0.5 容易浪费空间,取值 1 则需要填满每一个桶,实际情况很难达到,会产生大量的哈希碰撞。因此取中间值
  • HashMap 的容量一般是 2 的幂次方,可直接使用“位与”计算 hash 值,相对取模计算 hash 快

Hashtable

  • 继承于Dictionary,现在基本已被淘汰
  • HashTable的操作几乎和HashMap一致,主要的区别在于HashTable为了实现多线程安全,在几乎所有的方法上都加上了synchronized锁,而加锁的结果就是HashTable操作的效率十分低下
  • HashMap允许有一个键为null,允许多个值为null;但HashTable不允许键或值为null
  • Hash映射:HashMap的hash算法通过非常规设计,将底层table长度设计为2的幂,使用位与运算代替取模运算,减少运算消耗;而HashTable的hash算法首先使得hash值小于整型数最大值,再通过取模进行散射运算

LinkedHashMap

  • LinkedHashMap的元素存取过程基本与HashMap基本类似,只是在细节实现上稍有不同。当然,这是由LinkedHashMap本身的特性所决定的,因为它额外维护了一个双向链表用于保持迭代顺序。此外,LinkedHashMap可以很好的支持LRU算法。HashMap和双向链表合二为一即是LinkedHashMap

WeakHashMap

  • WeakHashMap 也是一个散列表,它存储的内容也是键值对(key-value)映射,而且键和值都可以是 null
  • WeakHashMap的键是“弱键”。在 WeakHashMap 中,当某个 key 不再被强引用使用时,会被从WeakHashMap中被 JVM 自动移除,然后它对应的键值对也会被从WeakHashMap中移除。?JAVA引用类型和ThreadLocal

ConcurrentHashMap(1.8JDK)

  • ConcurrentHashMap 是 HashMap 的多线程安全版本。它使用了细粒度锁 和 cas 提高了在多线程环境的安全性和高并发
  • 底层数据结构是 数组 + 链表/红黑树(后面专门写一篇介绍)

ConcurrentSkipListMap 了解一波

  • ConcurrentSkipListMap 则是基于跳跃链表的实现的 map,使用了 cas 技术实现线程安全性,高并发
  • ConcurrentSkipListMap 相比 ConcurrentHashMap 的优点
    • ConcurrentSkipListMap 的key是有序的。
    • ConcurrentSkipListMap 支持更高的并发。ConcurrentSkipListMap的存取时间是log(N),和线程数几乎无关。也就是说在数据量一定的情况下,并发的线程越多,ConcurrentSkipListMap 越能体现出它的优势

NavigableMap 和 ConcurrentNavigableMap 操作 key 值的范围区间

  • TreeMap 实现了 NavigableMap 。ConcurrentNavigableMap 高并发线程安全版的 TreeMap
  • NavigableMap 提供了针对给定搜索目标返回最接近匹配项的导航方法。直接看API
  1. K lowerKey(K key)  // 找到第一个比指定的key小的值 
  2. K floorKey(K key)  // 找到第一个比指定的key小于或等于的key 
  3. K ceilingKey(K key) // 找到第一个大于或等于指定key的值 
  4. K higherKey(K key) // 找到第一个大于指定key的值 
  5. Map.Entry<K,V> firstEntry() // 获取最小值 
  6. Map.Entry<K,V> lastEntry() // 获取最大值 
  7. Map.Entry<K,V> pollFirstEntry() // 删除最小的元素 
  8. Map.Entry<K,V> pollLastEntry() // 删除最大的元素 
  9. NavigableMap<K,V> descendingMap() //返回一个倒序的Map  
  10. // 返回值小于 toKey 的 NavigableMap 
  11. NavigableMap<K,V> headMap(K toKey, boolean inclusive) 
  12. // 返回值大于 fromKey 的 NavigableMap 
  13. NavigableMap<K,V> tailMap(K fromKey, boolean inclusive) 
  14. // 返回值小于 toKey 大于 的 fromKey NavigableMap 
  15. NavigableMap<K,V> subMap(K fromKey, boolean fromInclusive, K toKey,   boolean toInclusive) 

5.Set(集合)

  • Set特点:元素无放入顺序,元素不可重复,如果加入重复元素,会保留最先加入的对象。存取速度快

Set 的几种实现子类和各自特点

  • TreeSet:底层数据结构采用二叉树来实现,元素唯一且已经排好序;唯一性同样需要重写 hashCode 和 equals()方法,二叉树结构保证了元素的有序
    • 根据构造方法不同,分为自然排序(无参构造)和比较器排序(有参构造),自然排序要求元素必须实现Compareable接口,并重写里面的compareTo()方法
  • HashSet:是哈希表实现的,HashSet中的数据是无序的,可以放入 null,但只能放入一个null,两者中的值都不能重复,就如数据库中唯一约束
    • HashSet 是基于 HashMap 算法实现的,其性能通常都优于TreeSet
    • 为快速查找而设计的Set,我们通常都会用到HashSet,若需要排序的功能时,才使用TreeSet
  • LinkedHashSet:底层数据结构采用链表和哈希表共同实现,链表保证了元素的顺序与存储顺序一致,哈希表保证了元素的唯一性,效率高。但线程不安全

ConcurrentSkipListSet

  • 基于 ConcurrentSkipListMap 实现

CopyOnWriteArraySet

  • 基于 CopyOnWriteArrayList 实现

BitSet

  • BitSet是位操作的对象,值只有 0 或 1 即false和true,内部维护了一个long数组,初始只有一个long,所以BitSet最小的size是64,当随着存储的元素越来越多,BitSet内部会动态扩充,最终内部是由N个long来存储
  • 如统计40亿个数据中没有出现的数据,将40亿个不同数据进行排序等。\
  • 现在有1千万个随机数,随机数的范围在1到1亿之间。现在要求写出一种算法,将1到1亿之间没有在随机数中的数求出来
  1. void and(BitSet set) // 两个BitSet 做与操作,结果并存入当前 BitSet 
  2. void andNot(BitSet set) //  两个BitSet 与非操作 
  3. void flip(int index) // 反转某一个指定 index  
  4. boolean intersects(BitSet bitSet) // 是否有交集 
  5. int cardinality() //返回 true/1 的个数 
  6. void clear() // 重置 
  7. void clear(int startIndex, int endIndex) // startIndex~endIndex 重置 
  8. int nextSetBit(int startIndex) //检索在startIndex之后出现为1的第一位的索引 
  9. int nextClearBit(int startIndex) //检索在startIndex之后出现为0的第一位的索引 

6.Queue(队列)

  • Queue的概念 队列是一种特殊的线性表,只允许元素从队列一端入队,而另一端出队(获取元素),就像我们平时排队结算一样(懂文明讲礼貌不插队)。Queue 的数据结构和 List 一样,可以基于数组,链表实现,队列通常都是一端进(offer),另一端出(poll),有序性

PriorityQueue

  • PriorityQueue是按优先级排序的队列,也就是说 vip 可以插队。优先队列要求使用 Java Comparable 和 Comparator 接口给对象排序,并且在排序时会按照优先级处理其中的元素
  • PriorityBlockingQueue 是线程安全的PriorityQueue

BlockingQueue

  • BlockingQueue很好的解决了多线程中,如何高效安全“传输”数据的问题。通过这些高效并且线程安全的队列类,为我们快速搭建高质量的多线程程序带来极大的便利。常用于线程的任务队列

DelayQueue

  • DelayQueue是一个没有边界BlockingQueue实现,加入元素必须实现Delayed接口。当生产者线程调用put之类的方法加入元素时,会触发 Delayed 接口中的compareTo方法进行排序
  • 消费者线程查看队列头部的元素,注意是查看不是取出。然后调用元素的getDelay方法,如果此方法返回的值小0或者等于0,则消费者线程会从队列中取出此元素,并进行处理。如果getDelay方法返回的值大于0,则消费者线程阻塞到第一元素过期

Queue 的 API

  1. boolean add(E e); //加入队列尾部 
  2. boolean offer(E e); // 加入队列尾部,并返回结果 
  3. E remove(); //移除头部元素 
  4. E poll();  // 获取头部元素,并移除 
  5. E element(); // 获取头部元素,不存在则报错 
  6. E peek(); // 获取头部元素,不移除 

7.Deque(双向队列)

  • Deque接口代表一个"双端队列",双端队列可以同时从两端来添加、删除元素,因此Deque的实现类既可以当成队列使用、也可以当成栈使用
  • Deque 的子类 LinkedList,ArrayDeque,LinkedBlockingDeque

Deque的 API

  1. void addFirst(E e); //加入头部 
  2. void addLast(E e);  //加入尾部 
  3. boolean offerFirst(E e); //加入头部,并返回结果 
  4. boolean offerLast(E e); //加入尾部,并返回结果 
  5. E removeFirst(); // 移除第一个元素 
  6. E removeLast(); // 移除最后一个元素 
  7. E getFirst(); //获取第一个元素,不存在则报错 
  8. E getLast();  //获取最后一个元素,不存在则报错 
  9. E pollFirst(); //获取第一个元素,并移除 
  10. E pollLast(); //获取最后一个元素,并移除 
  11. E peekFirst(); //获取第一个元素 
  12. E peekLast(); // 获取最后一个元素 
  13. void push(E e); //加入头部 
  14. E pop(); //弹出头部元素 

参考文章 

java集合超详解

 

责任编辑:武晓燕 来源: 潜行前行
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