Java集合包—HashMap

1、HashMap的底层数据结构是什么？

在 JDK1.7 中，由“数组+链表”组成，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。

在 JDK1.8 中，由“数组+链表+红黑树”组成。当链表过长，则会严重影响 HashMap 的性能，红黑树搜索时间复杂度是 O(logn)，而链表是糟糕的 O(n)。因此，JDK1.8 对数据结构做了进一步的优化，引入了红黑树，链表和红黑树在达到一定条件会进行转换：

• 当链表长度超过 8 且数据总量大于等于 64 才会转红黑树。
• 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，以减少搜索时间。

2、为什么在解决 hash 冲突的时候，不直接用红黑树？而选择先用链表，再转红黑树?

因为红黑树需要进行左旋，右旋，变色这些操作来保持平衡，而单链表不需要。当元素小于 8 个的时候，此时做查询操作，链表结构已经能保证查询性能。当元素大于 8 个的时候， 红黑树搜索时间复杂度是 O(logn)，而链表是 O(n)，此时需要红黑树来加快查询速度，但是新增节点的效率变慢了。

因此，如果一开始就用红黑树结构，元素太少，新增效率又比较慢，无疑这是浪费性能的。

3、不用红黑树，用二叉查找树可以么?

可以。但是二叉查找树在特殊情况下会变成一条线性结构（这就跟原来使用链表结构一样了，造成很深的问题），遍历查找会非常慢。

4、当链表转为红黑树后，什么时候退化为链表?

为6的时候退转为链表。中间有个差值7可以防止链表和树之间频繁的转换。假设一下，如果设计成链表个数超过8则链表转换成树结构，链表个数小于8则树结构转换成链表，如果一个HashMap不停的插入、删除元素，链表个数在8左右徘徊，就会频繁的发生树转链表、链表转树，效率会很低。

5、JDK1.8中对hash算法和寻址算法是如何优化的？

//JDK1.8以后的HashMap部分源码
static final int hash(Object key){
	int h;
	return (key == null)?0(h=key.hashCode())^(h>>>16);
	}

hash算法的优化：
对每个hash值，将他的高低十六位进行异或操作，让低十六位同时保持了高低十六位的特征。同时也可以避免一些hash值后续出现冲突。

寻址算法的优化：
寻址算法就是对长度为n的数组取模，得到在数组中的位置。根据数学规律，对n取模，就是和n-1进行与运算。与运算的效率远远高于求模运算，所以采用与运算。而数组的长度通常没有很大，所以高位与出来都是0，如果不进行hash算法优化，那么高位的信息就会丢失。
综上就是JDK8的hash算法的优化。

6、说说HashMap是如何进行扩容的？

hashMap底层默认是一个数组，当这个数组满了以后，就会自动扩容，变成一个更大的数组，可以在里面放更多的元素。
hashMap的默认大小是16位的，当16存满以后就会进行2倍扩容，变成长度为32的数组。这个时候就要对原先数组中存储的元素进行rehash，即将他们的哈希值和（32-1）进行与运算，原本在长度为16的处于相同位置的几个元素，可能就要变换位置，不在同样的位置了。
为什么进行两倍扩容？
两倍扩容就是二进制位的上一位变成1，比如
0000 0000 0000 1111
变成
0000 0000 0001 1111
在进行rehash操作时，判断二进制结果是否多了一个bit的1，如果没多，那么就是原来的index,如果多了，那么就是index + oldcap，通过这个方式，避免rehash的时候，进行取模运算，位运算的性能更高。
注意，我们最好在使用hashMap的时候能够指定合适的hashMap的大小，来避免扩容，这样就能避免rehash操作，影响性能。

7、常见的集合类有哪些？

Java集合类主要由两个根接口Collection和Map派生出来的，Collection派生出了三个子接口：List、Set、Queue，因此Java集合大致也可分成List、Set、Queue、Map四种接口体系。

注意：Collection是一个接口，Collections是一个工具类，Map不是Collection的子接口。

Java集合框架图如下：

图中，List代表了有序可重复集合，可直接根据元素的索引来访问；Set代表无序不可重复集合，只能根据元素本身来访问；Queue是队列集合。

Map代表的是存储key-value对的集合，可根据元素的key来访问value。

上图中淡绿色背景覆盖的是集合体系中常用的实现类，分别是ArrayList、LinkedList、ArrayQueue、HashSet、TreeSet、HashMap、TreeMap等实现类。

8、线程安全的集合有哪些？线程不安全的呢？

线程安全的：

• Hashtable：比HashMap多了个线程安全。
• ConcurrentHashMap:是一种高效但是线程安全的集合。
• Vector：比Arraylist多了个同步化机制。
• Stack：栈，也是线程安全的，继承于Vector。

线性不安全的：

• HashMap
• Arraylist
• LinkedList
• HashSet
• TreeSet
• TreeMap

9、Arraylist与 LinkedList 异同点？

• 是否保证线程安全： 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 底层使用的是双向循环链表数据结构；
• 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，所以插入，删除元素时间复杂度不受元素位置的影响，都是近似 O（1）而数组为近似 O（n）。
• 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 实现了RandmoAccess 接口，所以有随机访问功能。快速随机访问就是通过元素的序号快速获取元素对象(对应于get(int index)方法)。
• 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）。

10、ArrayList 与 Vector 区别？

• Vector是线程安全的，ArrayList不是线程安全的。其中，Vector在关键性的方法前面都加了synchronized关键字，来保证线程的安全性。如果有多个线程会访问到集合，那最好是使用 Vector，因为不需要我们自己再去考虑和编写线程安全的代码。
• ArrayList在底层数组不够用时在原来的基础上扩展0.5倍，Vector是扩展1倍，这样ArrayList就有利于节约内存空间。

11、Array 和 ArrayList 有什么区别？什么时候该应 Array 而不是 ArrayList 呢？

• Array 可以包含基本类型和对象类型，ArrayList 只能包含对象类型。
• Array 大小是固定的，ArrayList 的大小是动态变化的。

ArrayList扩容的本质就是计算出新的扩容数组的size后实例化，并将原有数组内容复制到新数组中去。默认情况下，新的容量会是原容量的1.5倍。
ArrayList 提供了更多的方法和特性，比如：addAll()，removeAll()，iterator() 等等。

12、equals和hashcode之间的关系？

• equals 相同hashcode一定要相同
• hashcode相同 equals不一定相同