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今天为大家提供三十道经典的Java面试题，都是干货。
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你能顺利闯到第几关呢？
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开始！
集合相关类和接口都在java.util中，主要分为3种：List（列表）、Map（映射）、Set(集)。
其中Collection是集合List、Set的父接口，它主要有两个子接口：
Map是另外的接口，是键值对映射结构的集合。
List
List，也没啥好问的，但不排除面试官剑走偏锋，比如面试官也看了我这篇文章。
（1）数据结构不同
（2）多数情况下，ArrayList更利于查找，LinkedList更利于增删
注意，这个地方可能会出陷阱，LinkedList更利于增删更多是体现在平均步长上，不是体现在时间复杂度上，二者增删的时间复杂度都是O(n)
（3）是否支持随机访问
(4)内存占用，ArrayList基于数组，是一块连续的内存空间，LinkedList基于链表，内存空间不连续，它们在空间占用上都有一些额外的消耗：
ArrayList是基于数组的集合，数组的容量是在定义的时候确定的，如果数组满了，再插入，就会数组溢出。所以在插入时候，会先检查是否需要扩容，如果当前容量+1超过数组长度，就会进行扩容。
ArrayList的扩容是创建一个1.5倍的新数组，然后把原数组的值拷贝过去。
ArrayList的序列化不太一样，它使用transient修饰存储元素的elementData的数组，transient关键字的作用是让被修饰的成员属性不被序列化。
为什么最ArrayList不直接序列化元素数组呢？
出于效率的考虑，数组可能长度100，但实际只用了50，剩下的50不用其实不用序列化，这样可以提高序列化和反序列化的效率，还可以节省内存空间。
那ArrayList怎么序列化呢？
ArrayList通过两个方法readObject、writeObject自定义序列化和反序列化策略，实际直接使用两个流ObjectOutputStream和ObjectInputStream来进行序列化和反序列化。
快速失败（fail—fast）：快速失败是Java集合的一种错误检测机制
安全失败（fail—safe）
fail-fast是一种可能触发的机制，实际上，ArrayList的线程安全仍然没有保证，一般，保证ArrayList的线程安全可以通过这些方案：
CopyOnWriteArrayList就是线程安全版本的ArrayList。
它的名字叫CopyOnWrite——写时复制，已经明示了它的原理。
CopyOnWriteArrayList采用了一种读写分离的并发策略。CopyOnWriteArrayList容器允许并发读，读操作是无锁的，性能较高。至于写操作，比如向容器中添加一个元素，则首先将当前容器复制一份，然后在新副本上执行写操作，结束之后再将原容器的引用指向新容器。
Map
Map中，毫无疑问，最重要的就是HashMap，面试基本被盘出包浆了，各种问法，一定要好好准备。
JDK1.7的数据结构是数组+链表，JDK1.7还有人在用？不会吧……
说一下JDK1.8的数据结构吧：
JDK1.8的数据结构是数组+链表+红黑树。
数据结构示意图如下：
其中，桶数组是用来存储数据元素，链表是用来解决冲突，红黑树是为了提高查询的效率。
红黑树本质上是一种二叉查找树，为了保持平衡，它又在二叉查找树的基础上增加了一些规则：
之所以不用二叉树：
红黑树是一种平衡的二叉树，插入、删除、查找的最坏时间复杂度都为 O(logn)，避免了二叉树最坏情况下的O(n)时间复杂度。
之所以不用平衡二叉树：
平衡二叉树是比红黑树更严格的平衡树，为了保持保持平衡，需要旋转的次数更多，也就是说平衡二叉树保持平衡的效率更低，所以平衡二叉树插入和删除的效率比红黑树要低。
红黑树有两种方式保持平衡：旋转和染色。
先上个流程图吧:
先看流程图：
HashMap的查找就简单很多：
HashMap的哈希函数是先拿到 key 的hashcode，是一个32位的int类型的数值，然后让hashcode的高16位和低16位进行异或操作。
static final int hash(Object key) {
int h;
// key的hashCode和key的hashCode右移16位做异或运算
return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
}
这么设计是为了降低哈希碰撞的概率。
因为 key.hashCode() 函数调用的是 key 键值类型自带的哈希函数，返回 int 型散列值。int 值范围为 -2147483648~2147483647，加起来大概 40 亿的映射空间。
只要哈希函数映射得比较均匀松散，一般应用是很难出现碰撞的。但问题是一个 40 亿长度的数组，内存是放不下的。
假如 HashMap 数组的初始大小才 16，就需要用之前需要对数组的长度取模运算，得到的余数才能用来访问数组下标。
源码中模运算就是把散列值和数组长度 - 1 做一个 "与&" 操作，位运算比取余 % 运算要快。
bucketIndex = indexFor(hash, table.length);
static int indexFor(int h, int length) {
return h & (length-1);
}
顺便说一下，这也正好解释了为什么 HashMap 的数组长度要取 2 的整数幂。因为这样（数组长度 - 1）正好相当于一个 “低位掩码”。与 操作的结果就是散列值的高位全部归零，只保留低位值，用来做数组下标访问。以初始长度 16 为例，16-1=15。2 进制表示是0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 1111。和某个散列值做 与 操作如下，结果就是截取了最低的四位值。
这样是要快捷一些，但是新的问题来了，就算散列值分布再松散，要是只取最后几位的话，碰撞也会很严重。如果散列本身做得不好，分布上成等差数列的漏洞，如果正好让最后几个低位呈现规律性重复，那就更难搞了。
这时候 扰动函数 的价值就体现出来了，看一下扰动函数的示意图：
右移 16 位，正好是 32bit 的一半，自己的高半区和低半区做异或，就是为了混合原始哈希码的高位和低位，以此来加大低位的随机性。而且混合后的低位掺杂了高位的部分特征，这样高位的信息也被变相保留下来。
将元素放在table数组上面，是用hash值%数组大小定位位置，而HashMap是用hash值&(数组大小-1)，却能和前面达到一样的效果，这就得益于HashMap的大小是2的倍数，2的倍数意味着该数的二进制位只有一位为1，而该数-1就可以得到二进制位上1变成0，后面的0变成1，再通过&运算，就可以得到和%一样的效果，并且位运算比%的效率高得多
HashMap的容量是2的n次幂时，(n-1)的2进制也就是1111111***111这样形式的，这样与添加元素的hash值进行位运算时，能够充分的散列，使得添加的元素均匀分布在HashMap的每个位置上，减少hash碰撞。
我们可以简单看看HashMap的扩容机制，HashMap中的元素在超过负载因子*HashMap大小时就会产生扩容。
简单来说，就是初始化时，传的不是2的倍数时，HashMap会向上寻找离得最近的2的倍数，所以传入17，但HashMap的实际容量是32。
我们来看看详情，在HashMap的初始化中，有这样 段 法；
public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {
...
this.loadFactor = loadFactor;
this.threshold = tableSizeFor(initialCapacity);
}
static final int tableSizeFor(int cap) {
int n = cap - 1;
n |= n >>> 1;
n |= n >>> 2;
n |= n >>> 4;
n |= n >>> 8;
n |= n >>> 16;
return (n < 0) ? 1 : (n >= MAXIMUM_CAPACITY) ? MAXIMUM_CAPACITY : n + 1; }
以17为例，看一下初始化计算table容量的过程：
HashMap里哈希构造函数的方法叫：
H（key)=key%p（p<=N）,关键字除以一个不大于哈希表长度的正整数p，所得余数为地址，当然HashMap里进行了优化改造，效率更高，散列也更均衡。
除此之外，还有这几种常见的哈希函数构造方法：
直接根据key来映射到对应的数组位置，例如1232放到下标1232的位置。
取key的某些数字（例如十位和百位）作为映射的位置
取key平方的中间几位作为映射的位置
将key分割成位数相同的几段，然后把它们的叠加和作为映射的位置
我们到现在已经知道，HashMap使用链表的原因为了处理哈希冲突，这种方法就是所谓的：
除此之外，还有一些常见的解决冲突的办法：
树化发生在table数组的长度大于64，且链表的长度大于8的时候。
为什么是8呢？源码的注释也给出了答案。
红黑树节点的大小大概是普通节点大小的两倍，所以转红黑树，牺牲了空间换时间，更多的是一种兜底的策略，保证极端情况下的查找效率。
阈值为什么要选8呢？和统计学有关。理想情况下，使用随机哈希码，链表里的节点符合泊松分布，出现节点个数的概率是递减的，节点个数为8的情况，发生概率仅为0.00000006。
至于红黑树转回链表的阈值为什么是6，而不是8？是因为如果这个阈值也设置成8，假如发生碰撞，节点增减刚好在8附近，会发生链表和红黑树的不断转换，导致资源浪费。
为了减少哈希冲突发生的概率，当当前HashMap的元素个数达到一个临界值的时候，就会触发扩容，把所有元素rehash之后再放在扩容后的容器中，这是一个相当耗时的操作。
而这个临界值threshold就是由加载因子和当前容器的容量大小来确定的，假如采用默认的构造方法：
临界值（threshold ）= 默认容量（DEFAULT_INITIAL_CAPACITY） * 默认扩容因子（DEFAULT_LOAD_FACTOR）
那就是大于16x0.75=12时，就会触发扩容操作。
那么为什么选择了0.75作为HashMap的默认加载因子呢？
简单来说，这是对空间成本和时间成本平衡的考虑。
在HashMap中有这样一段注释：
我们都知道，HashMap的散列构造方式是Hash取余，负载因子决定元素个数达到多少时候扩容。
假如我们设的比较大，元素比较多，空位比较少的时候才扩容，那么发生哈希冲突的概率就增加了，查找的时间成本就增加了。
我们设的比较小的话，元素比较少，空位比较多的时候就扩容了，发生哈希碰撞的概率就降低了，查找时间成本降低，但是就需要更多的空间去存储元素，空间成本就增加了。
HashMap是基于数组+链表和红黑树实现的，但用于存放key值的桶数组的长度是固定的，由初始化参数确定。
那么，随着数据的插入数量增加以及负载因子的作用下，就需要扩容来存放更多的数据。而扩容中有一个非常重要的点，就是jdk1.8中的优化操作，可以不需要再重新计算每一个元素的哈希值。
因为HashMap的初始容量是2的次幂，扩容之后的长度是原来的二倍，新的容量也是2的次幂，所以，元素，要么在原位置，要么在原位置再移动2的次幂。
看下这张图，n为table的长度，图a表示扩容前的key1和key2两种key确定索引的位置，图b表示扩容后key1和key2两种key确定索引位置。
元素在重新计算hash之后，因为n变为2倍，那么n-1的mask范围在高位多1bit(红色)，因此新的index就会发生这样的变化：
所以在扩容时，只需要看原来的hash值新增的那一位是0还是1就行了，是0的话索引没变，是1的化变成原索引+oldCap，看看如16扩容为32的示意图：
扩容节点迁移主要逻辑：
jdk1.8 的HashMap主要有五点优化：
原因：发生 hash 冲突，元素会存入链表，链表过长转为红黑树，将时间复杂度由O(n)降为O(logn)
原因：因为 1.7 头插法扩容时，头插法会使链表发生反转，多线程环境下会产生环。
原因：提高扩容的效率，更快地扩容。
原因：做 4 次的话，边际效用也不大，改为一次，提升效率。
这道题快手常考。
不要慌，红黑树版咱们多半是写不出来，但是数组+链表版还是问题不大的。
整体的设计：
完整代码：
HashMap不是线程安全的，可能会发生这些问题：
Java 中有 HashTable、Collections.synchronizedMap、以及 ConcurrentHashMap 可以实现线程安全的 Map。
ConcurrentHashmap线程安全在jdk1.7版本是基于分段锁实现，在jdk1.8是基于CAS+synchronized实现。
从结构上说，1.7版本的ConcurrentHashMap采用分段锁机制，里面包含一个Segment数组，Segment继承于ReentrantLock，Segment则包含HashEntry的数组，HashEntry本身就是一个链表的结构，具有保存key、value的能力能指向下一个节点的指针。
实际上就是相当于每个Segment都是一个HashMap，默认的Segment长度是16，也就是支持16个线程的并发写，Segment之间相互不会受到影响。
put流程
整个流程和HashMap非常类似，只不过是先定位到具体的Segment，然后通过ReentrantLock去操作而已，后面的流程，就和HashMap基本上是一样的。
get流程
get也很简单，key通过hash定位到segment，再遍历链表定位到具体的元素上，需要注意的是value是volatile的，所以get是不需要加锁的。
jdk1.8实现线程安全不是在数据结构上下功夫，它的数据结构和HashMap是一样的，数组+链表+红黑树。它实现线程安全的关键点在于put流程。
put流程
tab = initTable();
node数组初始化：
private final Node[] initTable() {
Node[] tab; int sc;
while ((tab = table) == null || tab.length == 0) {
//如果正在初始化或者扩容
if ((sc = sizeCtl) < 0)
//等待
Thread.yield(); // lost initialization race; just spin
else if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc, -1)) { //CAS操作
try {
if ((tab = table) == null || tab.length == 0) {
int n = (sc > 0) ? sc : DEFAULT_CAPACITY;
@SuppressWarnings("unchecked")
Node[] nt = (Node[])new Node<?,?>[n];
table = tab = nt;
sc = n - (n >>> 2);
}
} finally {
sizeCtl = sc;
}
break;
}
}
return tab;
}
2.如果当前数组位置是空则直接通过CAS自旋写入数据
static final boolean casTabAt(Node[] tab, int i,
Node c, Node v) {
return U.compareAndSwapObject(tab, ((long)i << ASHIFT) + ABASE, c, v);
}
else if ((fh = f.hash) == MOVED)
tab = helpTransfer(tab, f);
final Node[] helpTransfer(Node[] tab, Node f) {
Node[] nextTab; int sc;
if (tab != null && (f instanceof ForwardingNode) &&
(nextTab = ((ForwardingNode)f).nextTable) != null) {
int rs = resizeStamp(tab.length);
while (nextTab == nextTable && table == tab &&
(sc = sizeCtl) < 0) {
if ((sc >>> RESIZE_STAMP_SHIFT) != rs || sc == rs + 1 ||
sc == rs + MAX_RESIZERS || transferIndex <= 0)
break;
if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc, sc + 1)) {
transfer(tab, nextTab);
break;
}
}
return nextTab;
}
return table;
}
synchronized (f){
……
}
get查询
get很简单，和HashMap基本相同，通过key计算位置，table该位置key相同就返回，如果是红黑树按照红黑树获取，否则就遍历链表获取。
HashMap是无序的，根据 hash 值随机插入。如果想使用有序的Map，可以使用LinkedHashMap 或者 TreeMap。
LinkedHashMap维护了一个双向链表，有头尾节点，同时 LinkedHashMap 节点 Entry 内部除了继承 HashMap 的 Node 属性，还有 before 和 after 用于标识前置节点和后置节点。
可以实现按插入的顺序或访问顺序排序。
TreeMap 是按照 Key 的自然顺序或者 Comprator 的顺序进行排序，内部是通过红黑树来实现。所以要么 key 所属的类实现 Comparable 接口，或者自定义一个实现了 Comparator 接口的比较器，传给 TreeMap 用于 key 的比较。
Set
Set面试没啥好问的，拿HashSet来凑个数。
HashSet 底层就是基于 HashMap 实现的。（ HashSet 的源码 常 常少，因为除了 clone() 、 writeObject() 、 readObject() 是 HashSet 不得不实现之外，其他 法都是直接调 HashMap 中的 法。
HashSet的add方法，直接调用HashMap的put方法，将添加的元素作为key，new一个Object作为value，直接调用HashMap的put方法，它会根据返回值是否为空来判断是否插入元素成功。
public boolean add(E e) {
return map.put(e, PRESENT)==null;
}
而在HashMap的putVal方法中，进行了一系列判断，最后的结果是，只有在key在table数组中不存在的时候，才会返回插入的值。
if (e != null) { // existing mapping for key
V oldValue = e.value;
if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
e.value = value;
afterNodeAccess(e);
return oldValue;
}
文章来源于三分恶 ，作者老三
都是理解性的答案，希望大家不要死记硬背，多读多理解，消化吸收、内化为自己的知识，这样才能得心应手的参加面试！
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页面更新：2024-02-10
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