我将围绕Java集合框架的基础概念、常见集合类的特性与应用场景，以及开发中可能遇到的问题与解决方案，为你总结Java集合相关的面试题。

Java面试题总结 - Java集合篇（附答案）

一、Java集合框架是什么？说出一些集合框架的优点？

每种编程语言中都有集合，最初的Java版本包含几种集合类：Vector、Stack、HashTable和Array。随着集合的广泛使用，Java 1.2提出了囊括所有集合接口、实现和算法的集合框架。在保证线程安全的情况下使用泛型和并发集合类，Java已经经历了很久。它还包括在Java并发包中，阻塞接口以及它们的实现。
集合框架的部分优点如下：

1. 降低开发成本：使用核心集合类降低开发成本，而非实现我们自己的集合类。
2. 提高代码质量：随着使用经过严格测试的集合框架类，代码质量会得到提高。
3. 降低维护成本：通过使用JDK附带的集合类，可以降低代码维护成本。
4. 复用性和可操作性 。

二、集合框架中的泛型有什么优点？

Java 1.5引入了泛型，所有的集合接口和实现都大量地使用它。泛型允许我们为集合提供一个可以容纳的对象类型，因此，如果你添加其它类型的任何元素，它会在编译时报错。这避免了在运行时出现ClassCastException，因为你将会在编译时得到报错信息。泛型也使得代码整洁，我们不需要使用显式转换和instanceOf操作符。它也给运行时带来好处，因为不会产生类型检查的字节码指令。

三、Java集合框架的基础接口有哪些？

1. Collection：为集合层级的根接口。一个集合代表一组对象，这些对象即为它的元素。Java平台不提供这个接口任何直接的实现。
2. Set：是一个不能包含重复元素的集合。这个接口对数学集合抽象进行建模，被用来代表集合，就如一副牌。
3. List：是一个有序集合，可以包含重复元素。你可以通过它的索引来访问任何元素。List更像长度动态变换的数组。
4. Map：是一个将key映射到value的对象.一个Map不能包含重复的key：每个key最多只能映射一个value。
5. 一些其它的接口有Queue、Dequeue、SortedSet、SortedMap和ListIterator。

四、为何Collection不从Cloneable和Serializable接口继承？

Collection接口指定一组对象，对象即为它的元素。如何维护这些元素由Collection的具体实现决定。例如，一些如List的Collection实现允许重复的元素，而其它的如Set就不允许。很多Collection实现有一个公有的clone方法。然而，把它放到集合的所有实现中也是没有意义的。这是因为Collection是一个抽象表现。重要的是实现。

当与具体实现打交道的时候，克隆或序列化的语义和含义才发挥作用。所以，具体实现应该决定如何对它进行克隆或序列化，或它是否可以被克隆或序列化。

在所有的实现中授权克隆和序列化，最终导致更少的灵活性和更多的限制。特定的实现应该决定它是否可以被克隆和序列化。

五、为何Map接口不继承Collection接口？

尽管Map接口和它的实现也是集合框架的一部分，但Map不是集合，集合也不是Map。因此，Map继承Collection毫无意义，反之亦然。

如果Map继承Collection接口，那么元素去哪儿？Map包含key - value对，它提供抽取key或value列表集合的方法，但是它不适合“一组对象”规范。

六、Iterator是什么？

Iterator接口提供遍历任何Collection的接口。我们可以从一个Collection中使用迭代器方法来获取迭代器实例。迭代器取代了Java集合框架中的Enumeration。迭代器允许调用者在迭代过程中移除元素。

七、Enumeration和Iterator接口的区别？

1. 速度和内存：Enumeration的速度是Iterator的两倍，也使用更少的内存。Enumeration是非常基础的，也满足了基础的需要。
2. 安全性：与Enumeration相比，Iterator更加安全，因为当一个集合正在被遍历的时候，它会阻止其它线程去修改集合。
3. 移除元素：迭代器允许调用者从集合中移除元素，而Enumeration不能做到。为了使它的功能更加清晰，迭代器方法名已经经过改善。

八、为何没有像Iterator.add()这样的方法，向集合中添加元素？

语义不明，已知的是，Iterator的协议不能确保迭代的次序。然而要注意，ListIterator没有提供一个add操作，它要确保迭代的顺序。

九、为何迭代器没有一个方法可以直接获取下一个元素，而不需要移动游标？

它可以在当前Iterator的顶层实现，但是它用得很少，如果将它加到接口中，每个继承都要去实现它，这没有意义。

十、Iterater和ListIterator之间有什么区别？

1. 遍历范围：我们可以使用Iterator来遍历Set和List集合，而ListIterator只能遍历List。
2. 遍历方向：Iterator只可以向前遍历，而LIstIterator可以双向遍历。
3. 额外功能：ListIterator从Iterator接口继承，然后添加了一些额外的功能，比如添加一个元素、替换一个元素、获取前面或后面元素的索引位置。

十一、遍历一个List有哪些不同的方式？

List<String> strList = new ArrayList<>();
//使用for - each循环
for(String obj : strList){
   
    System.out.println(obj);
}
//using iterator
Iterator<String> it = strList.iterator();
while(it.hasNext()){
   
    String obj = it.next();
    System.out.println(obj);
}

使用迭代器更加线程安全，因为它可以确保，在当前遍历的集合元素被更改的时候，它会抛出ConcurrentModificationException。

十二、通过迭代器fail - fast属性，你明白了什么？

每次我们尝试获取下一个元素的时候，Iterator fail - fast属性检查当前集合结构里的任何改动。如果发现任何改动，它抛出ConcurrentModificationException。Collection中所有Iterator的实现都是按fail - fast来设计的（ConcurrentHashMap和CopyOnWriteArrayList这类并发集合类除外）。

十三、fail - fast与fail - safe有什么区别？

1. 作用方式：Iterator的fail - fast属性与当前的集合共同起作用，因此它不会受到集合中任何改动的影响。Java.util包中的所有集合类都被设计为fail - fast的，而java.util.concurrent中的集合类都为fail - safe的。
2. 异常抛出：Fail - fast迭代器抛出ConcurrentModificationException，而fail - safe迭代器从不抛出ConcurrentModificationException。

十四、在迭代一个集合的时候，如何避免ConcurrentModificationException？

1. 同步操作：在遍历一个集合的时候，我们可以使用并发集合类来避免ConcurrentModificationException。例如使用CopyOnWriteArrayList来替换ArrayList。
2. 使用迭代器的remove方法：边遍历边修改Collection的唯一正确方式是使用Iterator.remove()方法。

十五、怎么确保一个集合不能被修改？

可以使用Collections.unmodifiableCollection(Collection c)方法来创建一个只读集合，这样改变集合的任何操作都会抛出Java.lang.UnsupportedOperationException异常。
示例代码如下：

List list = new ArrayList<>();
list.add("x");
Collection clist = Collections.unmodifiableCollection(list);
clist.add("y"); // 运行时此行报错
System.out.println(list.size());

十六、ArrayList和LinkedList的区别是什么？

1. 底层数据结构：ArrayList是基于数组实现的，LinkedList是基于双向链表实现的。
2. 随机访问性能：ArrayList支持快速随机访问，时间复杂度为O(1)，因为它可以通过数组索引直接访问元素。而LinkedList的随机访问性能较差，时间复杂度为O(n)，因为它需要遍历链表来找到指定位置的元素。
3. 插入和删除性能：在ArrayList中，插入和删除元素可能需要移动大量元素，尤其是在数组中间位置进行操作时，时间复杂度为O(n)。而LinkedList的插入和删除操作只需要修改相邻节点的引用，时间复杂度为O(1)，但如果要找到指定位置的节点，仍然需要O(n)的时间。
4. 内存占用：ArrayList的内存占用相对较小，因为它只需要存储元素本身。而LinkedList每个节点除了存储元素外，还需要存储两个引用（指向前一个和后一个节点），因此内存占用较大。

十七、HashMap和HashTable的区别是什么？

1. 线程安全性：HashMap是非线程安全的，HashTable是线程安全的，HashTable使用了synchronized关键字来保证线程安全。
2. null键值对：HashMap的key和value都允许为null，但是HashTable的key和value都不允许为null。
3. 性能：由于HashTable是线程安全的，所以在单线程环境下，HashMap的性能要高于HashTable。
4. 初始容量和扩容机制：HashMap的初始容量为16，扩容每次都是2的n次幂。HashTable的初始容量为11，扩容是原来的2倍加1。

十八、HashSet和TreeSet的区别是什么？

1. 底层数据结构：HashSet基于HashMap实现，使用哈希表存储元素。TreeSet基于红黑树实现，元素按照自然顺序或自定义顺序排序。
2. 元素顺序：HashSet中的元素是无序的，插入顺序和存储顺序不一定相同。而TreeSet中的元素是有序的，可以按照自然顺序（如数字从小到大、字符串按字典序）或通过实现Comparator接口来定义自定义顺序。
3. 添加和查询性能：HashSet的添加和查询操作平均时间复杂度为O(1)，因为它使用哈希表进行快速查找。TreeSet的添加和查询操作时间复杂度为O(log n)，因为红黑树的高度是对数级别的。
4. 唯一性保证：HashSet通过hashCode()和equals()方法来保证元素的唯一性。TreeSet通过比较元素的顺序来保证唯一性，如果两个元素比较相等，则不会同时存在于TreeSet中。

十九、ConcurrentHashMap的实现原理是什么？

1. JDK 1.7：在JDK 1.7中，ConcurrentHashMap采用分段锁机制，它将数据分成多个段（Segment），每个段都有自己的锁。当一个线程访问某个段时，不会影响其他段的访问，从而提高了并发性能。每个Segment类似于一个小型的HashMap，包含一个数组和链表。
2. JDK 1.8：在JDK 1.8中，ConcurrentHashMap摒弃了分段锁机制，采用CAS（Compare and Swap）操作和Synchronized关键字相结合的方式。它的底层数据结构和HashMap类似，也是数组 + 链表 + 红黑树。在进行插入、删除、查询等操作时，首先通过CAS操作尝试更新数据，如果失败，则使用Synchronized关键字对节点进行加锁，以保证线程安全。

二十、如何遍历HashMap和HashTable？

遍历HashMap

HashMap<String, Integer> hashMap = new HashMap<>();
hashMap.put("one", 1);
hashMap.put("two", 2);
// 使用entrySet遍历
for (Map.Entry<String, Integer> entry : hashMap.entrySet()) {
   
    System.out.println(entry.getKey() + " : " + entry.getValue());
}
// 使用keySet遍历
for (String key : hashMap.keySet()) {
   
    System.out.println(key + " : " + hashMap.get(key));
}

遍历HashTable

Hashtable<String, Integer> hashtable = new Hashtable<>();
hashtable.put("one", 1);
hashtable.put("two", 2);
// 使用entrySet遍历
for (Map.Entry<String, Integer> entry : hashtable.entrySet()) {
   
    System.out.println(entry.getKey() + " : " + entry.getValue());
}
// 使用keySet遍历
for (String key : hashtable.keySet()) {
   
    System.out.println(key + " : " + hashtable.get(key));
}

二十一、如何实现一个线程安全的List？

1. 使用Vector：Vector是Java早期提供的一个线程安全的List实现，它的方法都使用了synchronized关键字进行同步。但是由于同步机制的开销，性能相对较低。
2. 使用Collections.synchronizedList()：可以通过Collections类的synchronizedList()方法将一个普通的List转换为线程安全的List。

List<String> list = new ArrayList<>();
List<String> synchronizedList = Collections.synchronizedList(list);

1. 使用CopyOnWriteArrayList：CopyOnWriteArrayList是Java并发包提供的一个线程安全的List实现。它的原理是在进行写操作（如添加、删除元素）时，会先复制一个新的数组，在新数组上进行操作，操作完成后再将原数组引用指向新数组。读操作则直接读取原数组，这样读操作和写操作可以并发进行，并且读操作不会受到写操作的影响。

二十二、如何实现一个线程安全的Set？

1. 使用Collections.synchronizedSet()：通过Collections类的synchronizedSet()方法将一个普通的Set转换为线程安全的Set。

Set<String> set = new HashSet<>();
Set<String> synchronizedSet = Collections.synchronizedSet(set);

1. 使用CopyOnWriteArraySet：CopyOnWriteArraySet是Java并发包提供的一个线程安全的Set实现，它内部是基于CopyOnWriteArrayList实现的。它的特点和CopyOnWriteArrayList类似，写操作时复制数组，读操作直接读取原数组，保证了线程安全。

二十三、如何实现一个线程安全的Map？

1. 使用HashTable：HashTable是一个线程安全的Map实现，它的方法都使用了synchronized关键字进行同步，但是性能较低。
2. 使用Collections.synchronizedMap()：通过Collections类的synchronizedMap()方法将一个普通的Map转换为线程安全的Map。

Map<String, Integer> map = new HashMap<>();
Map<String, Integer> synchronizedMap = Collections.synchronizedMap(map);

1. 使用ConcurrentHashMap：ConcurrentHashMap是Java并发包提供的高效线程安全的Map实现，在JDK 1.7中采用分段锁机制，JDK 1.8中采用CAS和Synchronized相结合的方式，具有较高的并发性能。

二十四、如何在Java中实现LRU缓存？

LRU（Least Recently Used）缓存即最近最少使用缓存。可以使用LinkedHashMap来实现LRU缓存。LinkedHashMap维护了一个双向链表，记录了元素的访问顺序。

import java.util.LinkedHashMap;
import java.util.Map;
public class LRUCache<K, V> extends LinkedHashMap<K, V> {
   
    private final int capacity;
    public LRUCache(int capacity) {
   
        super(capacity, 0.75f, true);
        this.capacity = capacity;
    }
    @Override
    protected boolean removeEldestEntry(Map.Entry<K, V> eldest) {
   
        return size() > capacity;
    }
}

在上述代码中，通过继承LinkedHashMap并重写removeEldestEntry方法，当缓存大小超过设定的capacity时，自动移除最久未使用的元素。

二十五、如何在Java中实现FIFO队列？

可以使用Queue接口的实现类，如ArrayDeque或LinkedList来实现FIFO（先进先出）队列。

使用ArrayDeque实现FIFO队列

import java.util.ArrayDeque;
import java.util.Queue;
public class FIFOQueueExample {
   
    public static void main(String[] args) {
   
        Queue<Integer> queue = new ArrayDeque<>();
        queue.add(1);
        queue.add(2);
        queue.add(3);
        while (!queue.isEmpty()) {
   
            System.out.println(queue.poll());
        }
    }
}

使用LinkedList实现FIFO队列

import java.util.LinkedList;
import java.util.Queue;
public class FIFOQueueExample {
   
    public static void main(String[] args) {
   
        Queue<Integer> queue = new LinkedList<>();
        queue.add(1);
        queue.add(2);
        queue.add(3);
        while (!queue.isEmpty()) {
   
            System.out.println(queue.poll());
        }
    }
}

在这两个例子中，add方法用于向队列中添加元素，poll方法用于从队列头部取出元素，从而实现了FIFO的特性。

二十六、如何在Java中实现优先级队列？

可以使用PriorityQueue类来实现优先级队列。PriorityQueue是一个基于堆数据结构的无界优先级队列，默认情况下，元素按照自然顺序进行排序，也可以通过传入自定义的Comparator来实现自定义排序。

import java.util.PriorityQueue;
public class PriorityQueueExample {
   
    public static void main(String[] args) {
   
        PriorityQueue<Integer> priorityQueue = new PriorityQueue<>();
        priorityQueue.add(3);
        priorityQueue.add(1);
        priorityQueue.add(2);
        while (!priorityQueue.isEmpty()) {
   
            System.out.println(priorityQueue.poll());
        }
    }
}

在上述示例中，元素按照从小到大的顺序被取出。如果需要自定义排序，可以创建一个实现Comparator接口的类，并在创建PriorityQueue时传入该类的实例。

二十七、如何在Java中实现栈？

在 Java 里实现栈有两种比较常见的方法：一是借助 Java 集合框架中的Stack类，二是利用Deque接口的实现类，像ArrayDeque。下面为你详细介绍这两种实现方式。

方法一：使用 Java 内置的Stack类
Java 提供了java.util.Stack类，它继承自Vector，能用来实现栈的基本功能。下面是一个简单的示例：

```java
import java.util.Stack;

public class StackExample {
public static void main(String[] args) {
// 创建一个栈对象
Stack stack = new Stack<>();

    // 入栈操作
    stack.push("Java");
    stack.push("Python");
    stack.push("C++");

    // 出栈操作
    System.out.println("出栈元素: " + stack.pop()); // 输出: C++

    // 获取栈顶元素
    System.out.println("栈顶元素: " + stack.peek()); // 输出: Python

    // 判断栈是否为空
    System.out.println("栈是否为空: " + stack.isEmpty()); // 输出: false

    // 获取栈的大小
    System.out.println("栈的大小: " + stack.size()); // 输出: 2
}

}
...

方法二：使用Deque接口（推荐做法）
虽然Stack类使用起来很方便，但由于它是线程安全的，在单线程环境下会带来一些性能损耗。所以，更推荐使用Deque接口的实现类，例如ArrayDeque。

```java
import java.util.Deque;
import java.util.ArrayDeque;

public class DequeStackExample {
public static void main(String[] args) {
// 创建一个使用ArrayDeque实现的栈
Deque stack = new ArrayDeque<>();

    // 入栈操作
    stack.push("Apple");
    stack.push("Banana");
    stack.push("Cherry");

    // 出栈操作
    System.out.println("出栈元素: " + stack.pop()); // 输出: Cherry

    // 获取栈顶元素
    System.out.println("栈顶元素: " + stack.peek()); // 输出: Banana

    // 判断栈是否为空
    System.out.println("栈是否为空: " + stack.isEmpty()); // 输出: false

    // 获取栈的大小
    System.out.println("栈的大小: " + stack.size()); // 输出: 2
}

}
...

方法三：自定义栈类（基于数组）
你还可以基于数组来实现一个简单的栈，这有助于你更深入地理解栈的底层原理。

```java
public class CustomStack {
private T[] array;
private int top;
private int capacity;

@SuppressWarnings("unchecked")
public CustomStack(int capacity) {
    this.capacity = capacity;
    this.array = (T[]) new Object[capacity];
    this.top = -1;
}

// 入栈操作
public void push(T element) {
    if (isFull()) {
        throw new RuntimeException("栈已满");
    }
    array[++top] = element;
}

// 出栈操作
public T pop() {
    if (isEmpty()) {
        throw new RuntimeException("栈为空");
    }
    return array[top--];
}

// 获取栈顶元素
public T peek() {
    if (isEmpty()) {
        throw new RuntimeException("栈为空");
    }
    return array[top];
}

// 判断栈是否为空
public boolean isEmpty() {
    return top == -1;
}

// 判断栈是否已满
public boolean isFull() {
    return top == capacity - 1;
}

// 获取栈的大小
public int size() {
    return top + 1;
}

public static void main(String[] args) {
    CustomStack<Integer> stack = new CustomStack<>(3);
    stack.push(10);
    stack.push(20);
    stack.push(30);
    System.out.println(stack.pop()); // 输出: 30
    System.out.println(stack.peek()); // 输出: 20
}

}

...

总结
推荐做法：在实际开发中，建议优先选用Deque接口的实现类，如ArrayDeque，它的性能表现更优。
学习用途：如果是想学习栈的底层实现原理，那么基于数组或链表自定义栈类是个不错的选择。
线程安全：要是你的应用场景涉及多线程环境，可以考虑使用ConcurrentLinkedDeque或者对Deque进行同步包装。

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