【JavaGuide面试总结】Java集合篇·上

1.简单说说Java集合框架体系
- Collection接口
- Map接口
2.说说 List, Set, Queue, Map 四者的区别？
3.你在编程时如何选用集合?
4.Collection 子接口之 List
- ArrayList 和 Vector 的区别?
- ArrayList 与 LinkedList 区别?
- 说一说 ArrayList 的扩容机制吧
- - 先从 ArrayList 的构造函数说起
  - 一步一步分析 ArrayList 扩容机制
  - - 先来看add方法
    - 再来看看ensureCapacityInternal()方法
    - ensureExplicitCapacity()方法
    - grow()方法
    - hugeCapacity()方法
5.能否说说arraycopy()和copyOf()方法的区别

1.简单说说Java集合框架体系

Java 集合，主要是由两大接口派生而来：一个是 Collection接口，主要用于存放单一元素；另一个是 Map 接口，主要用于存放键值对。对于Collection 接口，下面又有三个主要的子接口：List、Set 和 Queue。

Collection接口

List：

ArrayList： Object[] 数组
Vector：Object[] 数组
LinkedList：双向链表

Set：

HashSet(无序，唯一): 基于 HashMap 实现的，底层采用 HashMap 来保存元素
LinkedHashSet: LinkedHashSet 是 HashSet 的子类，并且其内部是通过 LinkedHashMap 来实现的。有点类似于我们之前说的 LinkedHashMap 其内部是基于 HashMap 实现一样，不过还是有一点点区别的
TreeSet(有序，唯一): 红黑树(自平衡的排序二叉树)

Queue：

PriorityQueue: Object[] 数组来实现二叉堆
ArrayQueue: Object[] 数组 + 双指针

Map接口

HashMap： JDK1.8 之前 HashMap 由数组+链表组成的，数组是 HashMap 的主体，链表则是主要为了解决哈希冲突而存在的（“拉链法”解决冲突）。JDK1.8 以后在解决哈希冲突时有了较大的变化，当链表长度大于阈值（默认为 8）（将链表转换成红黑树前会判断，如果当前数组的长度小于 64，那么会选择先进行数组扩容，而不是转换为红黑树）时，将链表转化为红黑树，以减少搜索时间
LinkedHashMap： LinkedHashMap 继承自 HashMap，所以它的底层仍然是基于拉链式散列结构即由数组和链表或红黑树组成。另外，LinkedHashMap 在上面结构的基础上，增加了一条双向链表，使得上面的结构可以保持键值对的插入顺序。同时通过对链表进行相应的操作，实现了访问顺序相关逻辑。
Hashtable：数组+链表组成的，数组是 Hashtable 的主体，链表则是主要为了解决哈希冲突而存在的
TreeMap：红黑树（自平衡的排序二叉树）

2.说说 List, Set, Queue, Map 四者的区别？

List(对付顺序的好帮手): 存储的元素是有序的、可重复的。
Set(注重独一无二的性质): 存储的元素是无序的、不可重复的。
Queue(实现排队功能的叫号机): 按特定的排队规则来确定先后顺序，存储的元素是有序的、可重复的。
Map(用 key 来搜索的专家): 使用键值对（key-value）存储，key 是无序的、不可重复的，value 是无序的、可重复的，每个键最多映射到一个值。

3.你在编程时如何选用集合?

主要根据集合的特点来选用，比如我们需要根据键值获取到元素值时就选用 Map 接口下的集合，需要排序时选择 TreeMap,不需要排序时就选择 HashMap,需要保证线程安全就选用 ConcurrentHashMap。

当我们只需要存放元素值时，就选择实现Collection 接口的集合，需要保证元素唯一时选择实现 Set 接口的集合比如 TreeSet 或 HashSet，不需要就选择实现 List 接口的比如 ArrayList 或 LinkedList，然后再根据实现这些接口的集合的特点来选用。

4.Collection 子接口之 List

ArrayList 和 Vector 的区别?

ArrayList 是 List 的主要实现类，底层使用 Object[]存储，适用于频繁的查找工作，线程不安全
Vector 是 List 的古老实现类，底层使用Object[] 存储，线程安全的。

ArrayList 与 LinkedList 区别?

ArrayList 和 LinkedList 都是不同步的，也就是不保证线程安全🦒

底层数据结构： ArrayList 底层使用的是 Object 数组；LinkedList 底层使用的是 双向链表 数据结构（JDK1.6 之前为循环链表，JDK1.7 取消了循环）
是否支持快速随机访问： LinkedList 不支持高效的随机元素访问，而 ArrayList 支持。快速随机访问就是通过元素的序号快速获取元素对象
内存空间占用： ArrayList 的空间浪费主要体现在在 list 列表的结尾会预留一定的容量空间，而 LinkedList 的空间花费则体现在它的每一个元素都需要消耗比 ArrayList 更多的空间（因为要存放直接后继和直接前驱以及数据）
插入和删除是否受元素位置的影响：
ArrayList 采用数组存储，所以插入和删除元素的时间复杂度受元素位置的影响。比如：执行add(E e)方法的时候， ArrayList 会默认在将指定的元素追加到此列表的末尾，这种情况时间复杂度就是 O(1)。但是如果要在指定位置 i 插入和删除元素的话（add(int index, E element)）时间复杂度就为 O(n-i)。因为在进行上述操作的时候集合中第 i 和第 i 个元素之后的(n-i)个元素都要执行向后位/向前移一位的操作。
LinkedList 采用链表存储，所以，如果是在头尾插入或者删除元素不受元素位置的影响（add(E e)、addFirst(E e)、addLast(E e)、removeFirst() 、 removeLast()），时间复杂度为 O(1)，如果是要在指定位置 i 插入和删除元素的话（add(int index, E element)，remove(Object o)），时间复杂度为 O(n) ，因为需要先移动到指定位置再插入。

说一说 ArrayList 的扩容机制吧

先从 ArrayList 的构造函数说起

ArrayList 有三种方式来初始化，构造方法源码如下：

/**
 * 默认初始容量大小
 */
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;


private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};

/**
 * 默认构造函数，使用初始容量10构造一个空列表(无参数构造)
 */
public ArrayList() {
    this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
}

/**
 * 带初始容量参数的构造函数。（用户自己指定容量）
 */
public ArrayList(int initialCapacity) {
    if (initialCapacity > 0) {// 初始容量大于0
        // 创建initialCapacity大小的数组
        this.elementData = new Object[initialCapacity];
    } else if (initialCapacity == 0) {// 初始容量等于0
        // 创建空数组
        this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
    } else {// 初始容量小于0，抛出异常
        throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+
                                           initialCapacity);
    }
}


/**
* 构造包含指定collection元素的列表，这些元素利用该集合的迭代器按顺序返回
* 如果指定的集合为null，throws NullPointerException。
*/
 public ArrayList(Collection<? extends E> c) {
    elementData = c.toArray();
    if ((size = elementData.length) != 0) {
        // c.toArray 可能不返回 Object[] 类型数据，这时需要进行拷贝操作
        if (elementData.getClass() != Object[].class)
            elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class);
    } else {
        // 替换为空数组
        this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
    }
}

以无参数构造方法创建 ArrayList 时，实际上初始化赋值的是一个空数组。当真正对数组进行添加元素操作时，才真正分配容量。即向数组中添加第一个元素时，数组容量扩为 10🦊

一步一步分析 ArrayList 扩容机制

这里以无参构造函数创建的 ArrayList 为例分析

先来看add方法

/**
 * 将指定的元素追加到此列表的末尾。
 */
public boolean add(E e) {
    // 添加元素之前，先调用ensureCapacityInternal方法
    ensureCapacityInternal(size + 1);  // 增加 modCount!!
    // 这里看到ArrayList添加元素的实质就相当于为数组赋值
    elementData[size++] = e;
    return true;
}

再来看看ensureCapacityInternal()方法

可以看到 add 方法首先调用了ensureCapacityInternal(size + 1)

// 得到最小扩容量
private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
    if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
        // 获取默认的容量和传入参数的较大值
        minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
    }

    ensureExplicitCapacity(minCapacity);
}

当要 add 进第 1 个元素时，minCapacity 为 1，在Math.max()方法比较后，minCapacity 为 10

ensureExplicitCapacity()方法

// 判断是否需要扩容
private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
    modCount++;

    // 溢出意识代码
    if (minCapacity - elementData.length > 0)
        // 调用grow方法进行扩容，调用此方法代表已经开始扩容了
        grow(minCapacity);
}

我们来仔细分析一下：

当我们要 add 进第 1 个元素到 ArrayList 时，elementData.length 为 0 （因为还是一个空的 list），因为执行了 ensureCapacityInternal() 方法，所以 minCapacity 此时为 10。此时，minCapacity - elementData.length > 0成立，所以会进入 grow(minCapacity) 方法。
当 add 第 2 个元素时，minCapacity 为 2，此时 e lementData.length(容量)在添加第一个元素后扩容成 10 了。此时，minCapacity - elementData.length > 0 不成立，所以不会进入（执行）grow(minCapacity) 方法。
添加第 3、4···到第 10 个元素时，依然不会执行 grow 方法，数组容量都为 10。
直到添加第 11 个元素，minCapacity(为11)比 elementData.length（为10）要大。进入 grow
方法进行扩容。

grow()方法

/**
 * 要分配的最大数组大小
 */
private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;

/**
 * ArrayList扩容的核心方法
 */
private void grow(int minCapacity) {
    // oldCapacity为旧容量，newCapacity为新容量
    int oldCapacity = elementData.length;
    // 将oldCapacity 右移一位，其效果相当于oldCapacity /2，
    // 我们知道位运算的速度远远快于整除运算，整句运算式的结果就是将新容量更新为旧容量的1.5倍
    int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
    // 然后检查新容量是否大于最小需要容量，若还是小于最小需要容量，那么就把最小需要容量当作数组的新容量
    if (newCapacity - minCapacity < 0)
        newCapacity = minCapacity;
    // 如果新容量大于 MAX_ARRAY_SIZE,进入(执行) `hugeCapacity()` 方法来比较 minCapacity 和 MAX_ARRAY_SIZE
    // 如果minCapacity大于最大容量，则新容量则为`Integer.MAX_VALUE`，否则，新容量大小则为 MAX_ARRAY_SIZE 即为 `Integer.MAX_VALUE - 8`。
    if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
        newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
    // minCapacity 通常接近大小，所以这是一个胜利：
    elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
}

int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1),所以 ArrayList 每次扩容之后容量都会变为原来的 1.5 倍左右🦝

我们再来通过例子探究一下grow() 方法：

当 add 第 1 个元素时，oldCapacity 为 0，经比较后第一个 if 判断成立，newCapacity = minCapacity(为 10)。但是第二个 if 判断不会成立，即 newCapacity 不比 MAX_ARRAY_SIZE 大，则不会进入 hugeCapacity 方法。数组容量为 10，add 方法中 return true,size 增为 1。
当 add 第 11 个元素进入 grow 方法时，newCapacity 为 15，比 minCapacity（为 11）大，第一个 if 判断不成立。新容量没有大于数组最大 size，不会进入 hugeCapacity 方法。数组容量扩为 15，add 方法中 return true,size 增为 11。
以此类推······

hugeCapacity()方法

从上面 grow() 方法源码我们知道：如果新容量大于 MAX_ARRAY_SIZE,进入(执行) hugeCapacity() 方法来比较 minCapacity 和 MAX_ARRAY_SIZE，如果 minCapacity 大于最大容量，则新容量则为Integer.MAX_VALUE，否则，新容量大小则为 MAX_ARRAY_SIZE 即为 Integer.MAX_VALUE - 8

private static int hugeCapacity(int minCapacity) {
    if (minCapacity < 0) // overflow
        throw new OutOfMemoryError();
    // 对minCapacity和MAX_ARRAY_SIZE进行比较
    // 若minCapacity大，将Integer.MAX_VALUE作为新数组的大小
    // 若MAX_ARRAY_SIZE大，将MAX_ARRAY_SIZE作为新数组的大小
    // MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;
    return (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ?
        Integer.MAX_VALUE :
        MAX_ARRAY_SIZE;
}

5.能否说说arraycopy()和copyOf()方法的区别

System.arraycopy()方法：

源码：

// arraycopy 是一个 native 方法,接下来我们解释一下各个参数的具体意义
/**
* 复制数组
* @param src 源数组
* @param srcPos 源数组中的起始位置
* @param dest 目标数组
* @param destPos 目标数组中的起始位置
* @param length 要复制的数组元素的数量
*/
public static native void arraycopy(Object src,  int  srcPos,
                                    Object dest, int destPos,
                                    int length);

Arrays.copyOf()方法：

源码：

public static int[] copyOf(int[] original, int newLength) {
    // 申请一个新的数组
    int[] copy = new int[newLength];
    // 调用System.arraycopy,将源数组中的数据进行拷贝,并返回新的数组
    System.arraycopy(original, 0, copy, 0,
                     Math.min(original.length, newLength));
    return copy;
}