Java 集合框架详解
Java集合框架是Java编程语言中用于存储和操作一组对象的重要工具。它提供了许多接口和类来实现不同类型的集合，如列表（List）、集合（Set）、映射（Map）等。本文将详细介绍Java集合框架，并附带一些常见的面试题。
1. Java集合框架概述
Java集合框架位于java.util包中，它为存储和操作一组对象提供了统一的接口和实现。集合框架的主要优点包括：
- 可扩展性：可以通过继承现有的集合类或实现集合接口来创建自定义集合。
- 灵活性：提供了多种集合类型以满足不同的需求。
- 性能优化：不同的集合类针对特定的操作进行了优化。
1.1 集合框架的主要接口和类
1.1.1 Collection接口
Collection是最基本的集合接口，所有集合类都实现了这个接口。它提供了一些基本的操作方法，如添加、删除、遍历等。
- 子接口
- List：有序集合，允许重复元素。
- Set：不允许重复元素的集合。
- Queue：队列，先进先出（FIFO），也有优先队列（PriorityQueue）。
- Deque：双端队列，支持在两端插入和移除元素。
1.1.2 Map接口
Map接口不是Collection的子接口，它用于存储键值对（key-value pairs）。每个键只能出现一次，但值可以重复。
- 子接口
- SortedMap：按键排序的映射。
- NavigableMap：支持更高级的导航操作。
1.1.3 常用实现类
接口/抽象类 | 实现类 | 特点 |
List | ArrayList, LinkedList, Vector | ArrayList基于数组，随机访问快；LinkedList基于链表，插入删除快；Vector是线程安全的ArrayList。 |
Set | HashSet, LinkedHashSet, TreeSet | HashSet无序且不保证顺序；LinkedHashSet按插入顺序保存元素；TreeSet按键排序。 |
Queue | PriorityQueue, LinkedList | PriorityQueue按自然顺序或指定比较器排序；LinkedList也可作为队列使用。 |
Deque | ArrayDeque, LinkedList | 双端队列，ArrayDeque性能优于LinkedList。 |
Map | HashMap, LinkedHashMap, TreeMap, Hashtable | HashMap无序；LinkedHashMap按插入顺序保存键值对；TreeMap按键排序；Hashtable是线程安全的HashMap。 |
2. 常用集合类详解
2.1 List接口及其实现类
2.1.1 ArrayList
- 特点：
- 基于动态数组实现，支持快速随机访问。
- 插入和删除效率较低，尤其是大量数据时。
- 线程不安全。
- 常用方法： java ArrayList
list = new ArrayList<>(); list.add("apple"); list.add("banana"); list.get(0); // 返回 "apple" list.remove(1); // 删除索引为1的元素
2.1.2 LinkedList
- 特点：
- 基于双向链表实现，插入和删除效率高。
- 随机访问效率低。
- 线程不安全。
- 常用方法： java LinkedList
list = new LinkedList<>(); list.addFirst("apple"); list.addLast("banana"); list.pollFirst(); // 移除并返回第一个元素
2.1.3 Vector
- 特点：
- 类似于ArrayList，但线程安全。
- 性能较差，因为每次操作都需要同步。
- 常用方法： java Vector
vector = new Vector<>(); vector.add("apple"); vector.elementAt(0); // 返回 "apple"
2.2 Set接口及其实现类
2.2.1 HashSet
- 特点：
- 基于哈希表实现，查找速度快。
- 不保证元素的顺序。
- 允许一个null元素。
- 常用方法： java HashSet
set = new HashSet<>(); set.add("apple"); set.contains("apple"); // 返回 true
2.2.2 LinkedHashSet
- 特点：
- 继承自HashSet，按插入顺序保存元素。
- 查找速度稍慢于HashSet。
- 常用方法： java LinkedHashSet
set = new LinkedHashSet<>(); set.add("apple"); set.add("banana");
2.2.3 TreeSet
- 特点：
- 基于红黑树实现，按键排序。
- 不允许null元素。
- 常用方法： java TreeSet
set = new TreeSet<>(); set.add("apple"); set.add("banana"); set.first(); // 返回最小元素 set.last(); // 返回最大元素
2.3 Map接口及其实现类
2.3.1 HashMap
- 特点：
- 基于哈希表实现，查找速度快。
- 不保证键值对的顺序。
- 允许一个null键和多个null值。
- 常用方法： java HashMap
2.3.2 LinkedHashMap
- 特点：
- 继承自HashMap，按插入顺序保存键值对。
- 查找速度稍慢于HashMap。
- 常用方法： java LinkedHashMap
2.3.3 TreeMap
- 特点：
- 基于红黑树实现，按键排序。
- 不允许null键。
- 常用方法： java TreeMap
2.3.4 Hashtable
- 特点：
- 类似于HashMap，但线程安全。
- 不允许null键和null值。
- 常用方法： java Hashtable
3. 面试题
3.1 基础问题
- 什么是Java集合框架？
- Java集合框架是一组用于存储和操作一组对象的类和接口，提供了统一的接口和高效的实现。
- List、Set、Map的区别是什么？
- List：有序集合，允许重复元素。
- Set：不允许重复元素的集合。
- Map：存储键值对，键唯一，值可以重复。
- ArrayList和LinkedList的区别是什么？
- ArrayList基于数组，随机访问快，插入删除慢；LinkedList基于链表，插入删除快，随机访问慢。
- HashMap和Hashtable的区别是什么？
- HashMap线程不安全，允许一个null键和多个null值；Hashtable线程安全，不允许null键和null值。
- HashSet和TreeSet的区别是什么？
- HashSet无序，查找速度快；TreeSet按键排序，不允许null元素。
3.2 进阶问题
- 如何保证集合的线程安全？
- 使用Collections.synchronizedXXX()方法包装集合，或者使用线程安全的集合类如Vector、Hashtable、CopyOnWriteArrayList等。
- 什么是泛型？为什么需要泛型？
- 泛型是一种允许类型参数化的机制，可以在编译时检查类型安全，避免运行时类型转换错误。
- HashMap的工作原理是什么？
- HashMap基于哈希表实现，通过计算键的哈希码来确定元素的存储位置。如果发生哈希冲突，则使用链表或红黑树来处理冲突。
- ConcurrentHashMap与HashMap的区别是什么？
- ConcurrentHashMap是线程安全的，采用了分段锁（Segment）机制来提高并发性能；HashMap线程不安全。
- 如何遍历Map？
- 可以使用entrySet()、keySet()、values()等方法结合增强for循环或迭代器来遍历Map。
- 什么是迭代器模式？Java中如何实现？
- 迭代器模式提供了一种顺序访问集合元素的方法，而不需要暴露集合的内部表示。Java中通过Iterator接口实现。
- 如何实现自定义的集合类？
- 需要实现Collection或其子接口（如List、Set），并重写相应的方法。还可以考虑继承AbstractCollection或其子类来简化实现。
- 什么是哈希冲突？如何解决？
- 哈希冲突是指两个不同的键计算出相同的哈希码。解决方法包括链地址法（拉链法）、开放地址法（线性探测、二次探测、双重哈希）等。
- 如何选择合适的集合类？
- 根据具体需求选择，例如是否需要排序、是否允许重复、是否需要线程安全、是否频繁插入删除等。
- 什么是红黑树？为什么TreeMap使用红黑树？
* 红黑树是一种自平衡二叉搜索树，具有较好的插入、删除和查找性能。TreeMap使用红黑树来保证按键排序，并且在最坏情况下也能保持O(log n)的时间复杂度。
希望这篇详细的Java集合教程对你有所帮助！如果你有更多问题或需要进一步的解释，请随时提问。
