1-2-4-集合框架

Java集合框架是面试中的重点考察领域。下面我为你梳理一份涵盖机制、底层原理与应用场景的全面总结，并附上典型面试问题深度解析。

一、集合框架总体概述

Java集合框架（Java Collections Framework）提供了一套性能优良、使用方便的接口和类，用于存储和操作对象集合，位于java.util包中。集合框架的核心优势在于提供了多态性、可扩展性和灵活性，通过使用经过严格测试的核心集合类，可以降低开发成本、提高代码质量并减少维护成本。

核心接口层次结构：

• Collection接口：集合层级的根接口，代表一组对象。
• List接口：有序、可重复的集合，通过索引访问元素（如ArrayList、LinkedList）。
• Set接口：不允许重复元素的集合（如HashSet、TreeSet）。
• Queue接口：用于在处理前保存元素的集合，通常遵循FIFO原则。
• Map接口（独立于Collection）：存储键值对(Key-Value)映射的容器。

二、核心接口与实现类深度剖析

1. List接口及其实现

ArrayList：

• 底层机制：基于动态数组实现。初始容量为10（使用无参构造时），扩容时新容量通常增加为原来的1.5倍（int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1)）。
• 性能特点：
  • 查询快（随机访问，时间复杂度O(1)）
  • 增删慢（特别是在列表中间操作，需要移动元素，平均时间复杂度O(n)）
• 线程安全：非同步，多线程环境下需外部同步或使用Collections.synchronizedList。

LinkedList：

• 底层机制：基于双向链表实现，每个节点包含前驱、后继引用和数据。
• 性能特点：
  • 增删快（尤其在头尾操作，时间复杂度O(1)；在指定位置操作平均需要O(n)查找时间）
  • 查询慢（需要遍历，平均时间复杂度O(n)）
• 特殊能力：同时实现了List和Deque接口，可作为队列、双端队列或栈使用。

Vector：

• 底层机制：与ArrayList类似，基于动态数组。
• 关键区别：线程安全（方法使用synchronized修饰），但性能较低，通常被ArrayList和Collections.synchronizedList或CopyOnWriteArrayList取代。

2. Set接口及其实现

HashSet：

• 底层机制：基于HashMap实现，元素作为Key存储，Value是一个静态的Object常量。
• 特点：无序、允许一个null元素、查询效率高（平均时间复杂度O(1)）。

LinkedHashSet：

• 底层机制：继承HashSet，底层使用LinkedHashMap。
• 特点：维护插入顺序或访问顺序（构造参数accessOrder决定），迭代性能好，略慢于HashSet。

TreeSet：

• 底层机制：基于TreeMap（红黑树）实现。
• 特点：元素自然排序或通过Comparator定制排序，操作时间复杂度为O(log n)。

3. Map接口及其实现

HashMap（面试核心）：

• 底层机制：JDK8以前：数组+链表；JDK8及以后：数组+链表+红黑树（当链表长度超过8且数组容量≥64时，链表转为红黑树；树节点少于6时退化为链表）。
• 关键参数：
  • 初始容量（默认16）
  • 负载因子（默认0.75，扩容阈值=容量*负载因子）
• PUT过程：
  1. 计算Key的hash值（(key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16)）。
  2. 根据(n - 1) & hash确定数组下标。
  3. 若该位置无节点，直接插入。
  4. 若存在节点，则比较hash和Key（先==后equals）：
     • 相同则覆盖Value。
     • 不同则遍历链表或树。
  5. 判断是否需要扩容。
• 扩容机制：容量变为原来的2倍，重新计算所有元素的hash和索引（性能开销大）。
• 线程安全问题：非同步，多线程put可能导致死循环（JDK1.7之前）或数据丢失，推荐使用ConcurrentHashMap。

ConcurrentHashMap：

• 线程安全实现：JDK8以前使用分段锁；JDK8及以后使用CAS + synchronized（只锁住当前链表或红黑树的头节点），大大提升并发性能。

LinkedHashMap：

• 底层机制：继承HashMap，每个Entry增加前后指针构成双向链表，默认按插入顺序排序（也可设置按访问顺序排序，实现LRU缓存）。

TreeMap：

• 底层机制：基于红黑树实现，Key按自然顺序或Comparator排序，操作时间复杂度O(log n)。

三、关键机制与面试常见问题

1. 哈希表与hashCode()、equals()

• 重要性：HashMap/HashSet使用Key的hashCode()和equals()方法决定元素的存储位置和查找。
• 契约（Contract）：
  • 若o1.equals(o2)，则o1.hashCode() == o2.hashCode()必须为true。
  • 若o1.hashCode() == o2.hashCode()，o1.equals(o2)不一定为true（哈希冲突）。
• 最佳实践：重写equals()必须重写hashCode()；使用不可变对象作为Key（如String、Integer），防止修改后hash变化导致找不到值。

2. 迭代器与Fail-Fast机制

• Iterator：提供遍历Collection的统一接口，允许在迭代过程中移除元素（remove()方法）。
• Fail-Fast：直接使用迭代器遍历集合时，如果集合结构被修改（非迭代器自身的remove方法），会立即抛出ConcurrentModificationException（通过检查modCount变量实现）。ArrayList、HashMap的迭代器是Fail-Fast的。
• Fail-Safe：java.util.concurrent包下的集合（如ConcurrentHashMap、CopyOnWriteArrayList）采用Fail-Safe迭代器，遍历的是集合的一个副本，不会抛出CME。

3. 线程安全方案

• 遗留同步类：Vector、Hashtable（不推荐，性能差）。
• 同步包装器：Collections.synchronizedList/Map/Set()。
• 并发集合（推荐）：ConcurrentHashMap、CopyOnWriteArrayList、CopyOnWriteArraySet，设计初衷即为高并发。

四、应用场景与选型指南

场景需求	推荐选择	理由
频繁随机访问，单线程环境	ArrayList	基于数组，随机访问性能O(1)
频繁在头尾增删，或作为栈/队列	LinkedList	基于链表，头尾增删O(1)
快速去重，不关心顺序	HashSet	基于HashMap，查询插入平均O(1)
去重且需保持插入或访问顺序	LinkedHashSet	基于LinkedHashMap，维护插入次序或可实现LRU
需要元素有序（排序）	TreeSet	基于红黑树，元素有序O(log n)
单线程KV存储，高性能	HashMap	数组+链表+红黑树，综合性能最优
多线程高并发KV存储	ConcurrentHashMap	CAS+synchronized，分段锁降低冲突
KV存储且需保持插入顺序或LRU	LinkedHashMap	继承HashMap，维护插入次序或访问次序
需要有序的KV映射	TreeMap	基于红黑树，Key有序O(log n)

典型应用举例：

• List：用户数据列表、商品列表、日志记录（保持顺序，允许重复）。
• Set：数据去重、唯一性校验（如用户名、邮箱）、集合运算（交并补）。
• Map：缓存（HashMap/ConcurrentHashMap）、配置信息管理、对象关系映射。
• Queue：任务调度、消息传递、数据缓冲。

五、高频面试深度考题

1. HashMap的底层原理？JDK1.8做了哪些优化？

   答：数组+链表+红黑树。优化包括：链表超长时转红黑树提升查询效率；扩容时优化rehash算法；头插法改为尾插法避免成环。

2. HashMap为什么线程不安全？

   答：多线程扩容可能造成死循环（JDK1.7头插法）；put操作可能导致数据覆盖。

3. ConcurrentHashMap如何保证线程安全？

   答：JDK8使用CAS初始化/插入头节点，synchronized锁住头节点进行写操作，粒度更细，并发度更高。

4. hashCode()和equals()的关系？为什么重写equals()必须重写hashCode()？

   答：遵守对象相等的哈希码必须相等的契约。否则会导致HashSet/HashMap中重复元素、找不到元素等问题。

5. ArrayList和LinkedList的区别？

   答：ArrayList基于数组，随机访问快，增删慢；LinkedList基于链表，随机访问慢，头尾增删快。

6. 如何实现一个LRU缓存？

   答：继承LinkedHashMap，重写removeEldestEntry()方法，并设置accessOrder=true让最近访问的元素排到末尾。

7. 说说Iterator的Fail-Fast机制？

   答：迭代器遍历时直接修改集合结构（非迭代器自身的remove）会抛出ConcurrentModificationException，通过检查modCount实现。

8. 有哪些线程安全的集合？

   答：Vector, Hashtable（遗留）；Collections.synchronizedXXX()包装；ConcurrentHashMap, CopyOnWriteArrayList等并发容器（推荐）。

希望这份详尽的总结能帮助你系统准备面试。理解原理、熟悉源码、明确场景是关键。