Java笔试面试题AI答之集合（3）

13. 简述ArrayList与LinkedList的区别？

ArrayList 和 LinkedList 都是 Java 集合框架（Java Collections Framework）中提供的用于存储元素的集合类，它们实现了 List 接口，因此具有列表的共有特性，如元素的有序性、可重复性和动态数组的大小。然而，它们在内部实现、性能特性以及适用场景上存在显著的差异。

1. 内部实现

• ArrayList：基于动态数组的数据结构。当元素被添加到 ArrayList 时，如果数组的大小不足以容纳所有元素，那么会创建一个新的数组来存放这些元素，新数组的大小通常是旧数组大小的1.5倍（具体实现可能因JVM实现而异），然后将旧数组的元素复制到新数组中。因此，ArrayList 在添加或删除元素时（尤其是在列表的开头或中间位置）可能需要移动大量元素，这可能导致较高的性能开销。

• LinkedList：基于双向链表的数据结构。每个元素都包含数据部分和两个引用，分别指向前一个元素和后一个元素。这种结构使得 LinkedList 在添加或删除元素时（尤其是在列表的开头或中间位置）效率较高，因为只需要修改相关元素的引用即可，而不需要移动其他元素。

2. 性能特性

• 访问性能：由于 ArrayList 是基于数组实现的，因此它可以通过索引快速访问元素（时间复杂度为 O(1)）。而 LinkedList 需要从头节点或尾节点开始遍历链表来访问元素（时间复杂度为 O(n)）。

• 插入和删除性能：在 ArrayList 的末尾添加或删除元素时效率较高（时间复杂度为 O(1)），但在列表的开头或中间位置进行这些操作时效率较低（时间复杂度为 O(n)）。LinkedList 在任何位置添加或删除元素时效率都相对较高（时间复杂度为 O(1)），但需要注意的是，频繁地在链表的两端进行添加或删除操作可能会导致内存碎片。

3. 适用场景

• ArrayList：适用于需要频繁访问元素，但不太频繁地插入和删除元素的情况。

• LinkedList：适用于需要频繁插入和删除元素，但不经常通过索引访问元素的情况。此外，LinkedList 还提供了额外的操作，如 addFirst(), addLast(), getFirst(), getLast(), removeFirst(), removeLast() 等，这些操作对于实现栈、队列等数据结构非常有用。

总的来说，选择 ArrayList 还是 LinkedList 取决于你的具体需求，包括元素访问频率、插入和删除操作的频率以及是否需要额外的链表操作等。

14. Hashtable与HashMap有什么不同之处？

Hashtable与HashMap在Java中都是常用的映射表实现，但它们在多个方面存在显著的不同。以下是它们之间的主要区别：

1. 继承的父类

• Hashtable：继承自java.util.Dictionary类，实现了Map、Cloneable、Serializable接口。
• HashMap：继承自java.util.AbstractMap类，同样实现了Map、Cloneable、Serializable接口。

2. 线程安全性

• Hashtable：是线程安全的，因为它的方法（如put和get）被synchronized关键字修饰，支持在多线程环境下使用。
• HashMap：不是线程安全的，如果在多线程环境下使用，需要外部同步或使用Collections.synchronizedMap等方法进行包装。

3. 键和值的null处理

• Hashtable：不允许键（key）和值（value）为null。
• HashMap：允许键为null，但这样的键只能有一个，并且键为null的键值对总是被放在哈希表的第一位。HashMap的值可以为null。

4. 初始化容量和扩容机制

• Hashtable：默认的初始容量为11，扩容时容量为原来的2倍加1（即newCapacity = oldCapacity * 2 + 1）。
• HashMap：默认的初始容量为16（在Java 8及以后版本中），扩容时容量为原来的2倍（即newCapacity = oldCapacity * 2）。

5. 遍历方式

• Hashtable：支持通过Enumeration和Iterator两种方式遍历。
• HashMap：只支持通过Iterator遍历。

6. 迭代器的行为

• HashMap：迭代器是fail-fast的，如果在迭代过程中有其他线程对HashMap的结构进行了修改（非通过迭代器自身的remove方法），则会抛出ConcurrentModificationException异常。
• Hashtable：其枚举器（Enumerator）不是fail-fast的，不会抛出ConcurrentModificationException。

7. 性能

• Hashtable：由于它的线程安全性，其性能通常比HashMap低，尤其是在单线程环境下。
• HashMap：在多线程环境下需要外部同步，但其在单线程环境下的性能通常优于Hashtable。

8. 其他方法

• Hashtable：提供了elements()和contains(Object value)等方法，这些方法在HashMap中不可用或表现不同。
• HashMap：没有直接提供类似elements()的方法，其containsValue(Object value)方法用于检查值是否存在。

综上所述，Hashtable和HashMap在继承关系、线程安全性、null处理、初始化容量和扩容机制、遍历方式、迭代器行为、性能以及提供的方法等方面存在显著差异。在选择使用哪一个时，需要根据具体的应用场景和需求来决定。

15. Java中的HashSet，内部是如何工作的？

HashSet 是 Java 集合框架中的一个重要类，它实现了 Set 接口。HashSet 不保证集合的迭代顺序，并且允许存储 null 元素。其内部主要基于 HashMap 来实现。理解 HashSet 的工作原理，首先需要了解 HashMap 的工作原理。

HashMap 的工作原理

HashMap 是基于哈希表的 Map 接口的非同步实现，允许使用 null 值和 null 键。它通过将键的哈希码映射到表的索引来快速访问元素。HashMap 实际上是一个数组（通常称为表）和链表（在 Java 8 及更高版本中，当链表长度超过某个阈值时，会转换为红黑树以提高性能）的组合结构。

• 哈希函数：HashMap 使用键的哈希码来找到存储键值对的索引。通过调用键对象的 hashCode() 方法来获取哈希码，然后使用某种算法（通常是哈希码对数组长度取模）来确定数组中的索引位置。
• 碰撞解决：由于不同的键可能会产生相同的哈希码（即哈希冲突），HashMap 使用链表（或红黑树）来存储所有哈希码相同的元素。这些元素被链接到同一个索引位置。
• 扩容：当哈希表中的条目数超过了负载因子（默认值为 0.75）与当前容量（即数组大小）的乘积时，HashMap 会自动扩容，通常是当前容量的两倍。扩容后，所有的键值对都需要重新计算哈希值并重新定位。

HashSet 的工作原理

HashSet 内部实际上是通过一个 HashMap 实现的，但它只使用了 HashMap 的键（key）部分，而忽略了值（value）部分。在 HashSet 中，所有的键都是集合的元素，而它们的值则是一个固定的对象（在 Java 8 中，这个固定对象是一个名为 PRESENT 的静态常量，其类型为 Object）。

• 添加元素：当向 HashSet 添加一个元素时，实际上是将该元素作为键添加到其内部的 HashMap 中，值被设置为 PRESENT。
• 查找元素：查找元素时，也是通过 HashMap 的 get() 方法来完成的，但检查的是 HashMap 中是否存在该键，而不是它的值。
• 删除元素：删除元素则是从 HashMap 中移除对应的键值对。

由于 HashSet 依赖于 HashMap 的哈希机制来处理元素的存储和查找，因此 HashSet 也继承了 HashMap 的优点和缺点，包括高效的存取性能和可能的哈希冲突问题。

16. ArrayList和HashMap的默认大小 ？

ArrayList 和 HashMap 的默认大小在Java中是不同的，具体如下：

ArrayList 的默认大小

• 默认初始容量：ArrayList的底层数组默认初始化大小为10。然而，需要注意的是，在使用无参构造函数创建ArrayList时，并不会立即分配一个大小为10的数组。实际上，无参构造函数会将一个空数组（DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA）赋值给底层数组。当第一次添加元素时，才会分配一个大小为10的数组。
• 扩容机制：当ArrayList中的元素数量超过当前数组大小时，会自动进行扩容。扩容时，通常会创建一个新的数组，其大小为原数组大小的1.5倍（向下取整），然后将原数组的元素复制到新数组中。不过，扩容的临界值是Integer.MAX_VALUE - 8，这是为了防止数组大小超过Java中整型数的最大值。

HashMap 的默认大小

• 默认初始容量：HashMap的默认初始容量是16。这个大小是HashMap内部实现中用于存储键值对的数组的大小。
• 扩容机制：当HashMap中的元素数量达到容量的75%（默认负载因子为0.75）时，HashMap会自动进行扩容。扩容时，通常会创建一个新的数组，其大小为原数组大小的2倍，然后重新计算每个键的哈希值，并将其放入新的数组中的适当位置。

总结

集合类型	默认大小	扩容机制
ArrayList	底层数组默认初始化大小为10（但无参构造函数初始化为空数组，首次添加元素时分配大小为10的数组）	扩容时，通常会创建一个新的数组，其大小为原数组大小的1.5倍（向下取整），但最大不超过Integer.MAX_VALUE - 8
HashMap	16	扩容时，通常会创建一个新的数组，其大小为原数组大小的2倍，并重新计算哈希值

这些默认大小和扩容机制是Java集合框架中为了优化性能和内存使用而设计的。在实际应用中，如果已知将要存储的元素数量，可以通过构造函数指定初始容量来避免不必要的扩容操作，从而提高性能。

17. 说明Java中使用 Collections的最佳实践？

在Java中使用Collections框架时，遵循一些最佳实践可以帮助你编写更高效、更可维护、更易于理解的代码。以下是一些关键的最佳实践：

1. 选择合适的集合类型：

   • 根据你的需求（如是否需要排序、是否允许重复元素等）选择最合适的集合类型。例如，如果需要保持元素的插入顺序，则使用ArrayList；如果需要频繁地插入和删除元素，则考虑LinkedList；如果需要自动排序，则使用TreeSet或TreeMap。

2. 使用不可变集合：

   • 当集合在创建后不需要修改时，使用Collections.unmodifiableList(), Collections.unmodifiableSet(), Collections.unmodifiableMap()等方法来创建不可变集合。这可以防止集合被意外修改，提高代码的安全性。

3. 利用Collections工具类：

   • Collections框架提供了许多静态方法，如sort(), shuffle(), reverse(), binarySearch(), max(), min(), fill(), copy()等，这些方法可以简化集合的操作。

4. 避免使用原始类型的集合：

   • 总是使用泛型集合，避免使用原始类型的集合（如List, Set, Map等），因为泛型可以提供编译时类型检查，减少运行时错误。

5. 合理控制集合的大小：

   • 在可能的情况下，预估并控制集合的大小，以避免不必要的扩容操作。例如，在创建ArrayList时，如果知道大概的元素数量，可以使用带有初始容量的构造函数。

6. 使用并发集合：

   • 如果你的应用是多线程的，并且需要并发访问集合，那么应该使用java.util.concurrent包下的并发集合，如ConcurrentHashMap, CopyOnWriteArrayList等。这些集合提供了比同步包装器（如Collections.synchronizedList()）更好的并发性能。

7. 避免在循环中修改集合：

   • 如果需要在遍历集合的同时修改集合（如添加或删除元素），应该使用迭代器提供的remove()方法（如果适用），或者使用Java 8引入的removeIf()方法（对于List和Set）。直接在循环中修改集合（如使用for-each循环和remove()方法）可能会导致ConcurrentModificationException异常。

8. 使用Stream API进行复杂操作：

   • Java 8引入的Stream API提供了一种高效且表达力强的方式来处理集合。对于复杂的集合操作（如过滤、映射、归约等），使用Stream API可以使代码更加简洁和易于理解。

9. 注意集合的线程安全性：

   • 大多数Java集合都不是线程安全的。如果你需要在多线程环境中使用集合，请确保你了解并采取了适当的线程安全措施（如使用并发集合、同步代码块或锁等）。

10. 文档和注释：

    • 对于复杂的集合操作或自定义的集合类，提供清晰的文档和注释是非常重要的。这有助于其他开发者理解你的代码，并减少潜在的错误。

18. 简述Java用哪两种方式来实现集合的排序？

Java中实现集合排序主要有两种方式：

1. 使用Collections.sort()方法

Collections.sort()是Java集合框架中提供的一个静态方法，用于对List集合进行排序。它支持自然排序和自定义排序。

• 自然排序：当集合中的元素实现了Comparable接口，并且重写了compareTo()方法时，可以使用Collections.sort()方法按照元素的自然顺序进行排序。对于可比较大小的数据类型（如Integer、Double等），其自然顺序通常是从小到大；对于字符串（String），其自然顺序是按照字典序从小到大。
• 自定义排序：如果需要对集合进行自定义排序，即按照程序员指定的顺序进行排序，可以让集合中的元素实现Comparator接口，并重写compare()方法。然后，将自定义的Comparator对象作为第二个参数传递给Collections.sort()方法。

2. 使用TreeSet或TreeMap等自动排序的集合类

• TreeSet：TreeSet是基于红黑树实现的，它可以保证集合元素处于排序状态。默认情况下，TreeSet会按照元素的自然顺序进行排序。如果元素没有实现Comparable接口，那么在创建TreeSet时需要传入一个自定义的Comparator对象来指定排序规则。
• TreeMap：与TreeSet类似，TreeMap也是基于红黑树实现的，但它存储的是键值对。TreeMap可以保证所有的键处于排序状态。默认情况下，键会按照其自然顺序进行排序，但同样可以通过传入自定义的Comparator对象来改变排序规则。

总结

Java中实现集合排序的两种方式各有特点：

• 使用Collections.sort()方法可以直接对List集合进行排序，支持自然排序和自定义排序，操作灵活。
• 使用TreeSet或TreeMap等自动排序的集合类，则可以在添加元素时自动保持集合的排序状态，无需手动调用排序方法。这种方式适用于需要保持元素有序，且不需要频繁进行排序操作的场景。

在实际开发中，可以根据具体需求选择合适的排序方式。

答案来自文心一言，仅供参考