Java面試題總結

一、Java集合框架是什么？說出一些集合框架的優點？

每種編程語言中都有集合，最初的Java版本包含幾種集合類：Vector、Stack、HashTable和Array。隨著集合的廣泛使用，Java 1.2提出了囊括所有集合接口、實現和算法的集合框架。在保證線程安全的情況下使用泛型和并發集合類，Java已經經歷了很久。它還包括在Java并發包中，阻塞接口以及它們的實現。
集合框架的部分優點如下：

降低開發成本：使用核心集合類降低開發成本，而非實現我們自己的集合類。
提高代碼質量：隨著使用經過嚴格測試的集合框架類，代碼質量會得到提高。
降低維護成本：通過使用JDK附帶的集合類，可以降低代碼維護成本。
復用性和可操作性 。

二、集合框架中的泛型有什么優點？

Java 1.5引入了泛型，所有的集合接口和實現都大量地使用它。泛型允許我們為集合提供一個可以容納的對象類型，因此，如果你添加其它類型的任何元素，它會在編譯時報錯。這避免了在運行時出現ClassCastException，因為你將會在編譯時得到報錯信息。泛型也使得代碼整潔，我們不需要使用顯式轉換和instanceOf操作符。它也給運行時帶來好處，因為不會產生類型檢查的字節碼指令。

三、Java集合框架的基礎接口有哪些？

Collection：為集合層級的根接口。一個集合代表一組對象，這些對象即為它的元素。Java平臺不提供這個接口任何直接的實現。
Set：是一個不能包含重復元素的集合。這個接口對數學集合抽象進行建模，被用來代表集合，就如一副牌。
List：是一個有序集合，可以包含重復元素。你可以通過它的索引來訪問任何元素。List更像長度動態變換的數組。
Map：是一個將key映射到value的對象.一個Map不能包含重復的key：每個key最多只能映射一個value。
一些其它的接口有Queue、Dequeue、SortedSet、SortedMap和ListIterator。

四、為何Collection不從Cloneable和Serializable接口繼承？

Collection接口指定一組對象，對象即為它的元素。如何維護這些元素由Collection的具體實現決定。例如，一些如List的Collection實現允許重復的元素，而其它的如Set就不允許。很多Collection實現有一個公有的clone方法。然而，把它放到集合的所有實現中也是沒有意義的。這是因為Collection是一個抽象表現。重要的是實現。

當與具體實現打交道的時候，克隆或序列化的語義和含義才發揮作用。所以，具體實現應該決定如何對它進行克隆或序列化，或它是否可以被克隆或序列化。

在所有的實現中授權克隆和序列化，最終導致更少的靈活性和更多的限制。特定的實現應該決定它是否可以被克隆和序列化。

五、為何Map接口不繼承Collection接口？

盡管Map接口和它的實現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繼承Collection毫無意義，反之亦然。

如果Map繼承Collection接口，那么元素去哪兒？Map包含key - value對，它提供抽取key或value列表集合的方法，但是它不適合“一組對象”規范。

六、Iterator是什么？

Iterator接口提供遍歷任何Collection的接口。我們可以從一個Collection中使用迭代器方法來獲取迭代器實例。迭代器取代了Java集合框架中的Enumeration。迭代器允許調用者在迭代過程中移除元素。

七、Enumeration和Iterator接口的區別？

速度和內存：Enumeration的速度是Iterator的兩倍，也使用更少的內存。Enumeration是非常基礎的，也滿足了基礎的需要。
安全性：與Enumeration相比，Iterator更加安全，因為當一個集合正在被遍歷的時候，它會阻止其它線程去修改集合。
移除元素：迭代器允許調用者從集合中移除元素，而Enumeration不能做到。為了使它的功能更加清晰，迭代器方法名已經經過改善。

八、為何沒有像Iterator.add()這樣的方法，向集合中添加元素？

語義不明，已知的是，Iterator的協議不能確保迭代的次序。然而要注意，ListIterator沒有提供一個add操作，它要確保迭代的順序。

九、為何迭代器沒有一個方法可以直接獲取下一個元素，而不需要移動游標？

它可以在當前Iterator的頂層實現，但是它用得很少，如果將它加到接口中，每個繼承都要去實現它，這沒有意義。

十、Iterater和ListIterator之間有什么區別？

遍歷范圍：我們可以使用Iterator來遍歷Set和List集合，而ListIterator只能遍歷List。
遍歷方向：Iterator只可以向前遍歷，而LIstIterator可以雙向遍歷。
額外功能：ListIterator從Iterator接口繼承，然后添加了一些額外的功能，比如添加一個元素、替換一個元素、獲取前面或后面元素的索引位置。

十一、遍歷一個List有哪些不同的方式？

List<String> strList = new ArrayList<>();
//使用for - each循環
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);
}

使用迭代器更加線程安全，因為它可以確保，在當前遍歷的集合元素被更改的時候，它會拋出ConcurrentModificationException。

十二、通過迭代器fail - fast屬性，你明白了什么？

每次我們嘗試獲取下一個元素的時候，Iterator fail - fast屬性檢查當前集合結構里的任何改動。如果發現任何改動，它拋出ConcurrentModificationException。Collection中所有Iterator的實現都是按fail - fast來設計的（ConcurrentHashMap和CopyOnWriteArrayList這類并發集合類除外）。

十三、fail - fast與fail - safe有什么區別？

作用方式：Iterator的fail - fast屬性與當前的集合共同起作用，因此它不會受到集合中任何改動的影響。Java.util包中的所有集合類都被設計為fail - fast的，而java.util.concurrent中的集合類都為fail - safe的。
異常拋出：Fail - fast迭代器拋出ConcurrentModificationException，而fail - safe迭代器從不拋出ConcurrentModificationException。

十四、在迭代一個集合的時候，如何避免ConcurrentModificationException？

同步操作：在遍歷一個集合的時候，我們可以使用并發集合類來避免ConcurrentModificationException。例如使用CopyOnWriteArrayList來替換ArrayList。
使用迭代器的remove方法：邊遍歷邊修改Collection的唯一正確方式是使用Iterator.remove()方法。

十五、怎么確保一個集合不能被修改？

可以使用Collections.unmodifiableCollection(Collection c)方法來創建一個只讀集合，這樣改變集合的任何操作都會拋出Java.lang.UnsupportedOperationException異常。
示例代碼如下：

List list = new ArrayList<>();
list.add("x");
Collection clist = Collections.unmodifiableCollection(list);
clist.add("y"); // 運行時此行報錯
System.out.println(list.size());

十六、ArrayList和LinkedList的區別是什么？

底層數據結構：ArrayList是基于數組實現的，LinkedList是基于雙向鏈表實現的。
隨機訪問性能：ArrayList支持快速隨機訪問，時間復雜度為O(1)，因為它可以通過數組索引直接訪問元素。而LinkedList的隨機訪問性能較差，時間復雜度為O(n)，因為它需要遍歷鏈表來找到指定位置的元素。
插入和刪除性能：在ArrayList中，插入和刪除元素可能需要移動大量元素，尤其是在數組中間位置進行操作時，時間復雜度為O(n)。而LinkedList的插入和刪除操作只需要修改相鄰節點的引用，時間復雜度為O(1)，但如果要找到指定位置的節點，仍然需要O(n)的時間。
內存占用：ArrayList的內存占用相對較小，因為它只需要存儲元素本身。而LinkedList每個節點除了存儲元素外，還需要存儲兩個引用（指向前一個和后一個節點），因此內存占用較大。

十七、HashMap和HashTable的區別是什么？

線程安全性：HashMap是非線程安全的，HashTable是線程安全的，HashTable使用了synchronized關鍵字來保證線程安全。
null鍵值對：HashMap的key和value都允許為null，但是HashTable的key和value都不允許為null。
性能：由于HashTable是線程安全的，所以在單線程環境下，HashMap的性能要高于HashTable。
初始容量和擴容機制：HashMap的初始容量為16，擴容每次都是2的n次冪。HashTable的初始容量為11，擴容是原來的2倍加1。

十八、HashSet和TreeSet的區別是什么？

底層數據結構：HashSet基于HashMap實現，使用哈希表存儲元素。TreeSet基于紅黑樹實現，元素按照自然順序或自定義順序排序。
元素順序：HashSet中的元素是無序的，插入順序和存儲順序不一定相同。而TreeSet中的元素是有序的，可以按照自然順序（如數字從小到大、字符串按字典序）或通過實現Comparator接口來定義自定義順序。
添加和查詢性能：HashSet的添加和查詢操作平均時間復雜度為O(1)，因為它使用哈希表進行快速查找。TreeSet的添加和查詢操作時間復雜度為O(log n)，因為紅黑樹的高度是對數級別的。
唯一性保證：HashSet通過hashCode()和equals()方法來保證元素的唯一性。TreeSet通過比較元素的順序來保證唯一性，如果兩個元素比較相等，則不會同時存在于TreeSet中。

十九、ConcurrentHashMap的實現原理是什么？

JDK 1.7：在JDK 1.7中，ConcurrentHashMap采用分段鎖機制，它將數據分成多個段（Segment），每個段都有自己的鎖。當一個線程訪問某個段時，不會影響其他段的訪問，從而提高了并發性能。每個Segment類似于一個小型的HashMap，包含一個數組和鏈表。
JDK 1.8：在JDK 1.8中，ConcurrentHashMap摒棄了分段鎖機制，采用CAS（Compare and Swap）操作和Synchronized關鍵字相結合的方式。它的底層數據結構和HashMap類似，也是數組 + 鏈表 + 紅黑樹。在進行插入、刪除、查詢等操作時，首先通過CAS操作嘗試更新數據，如果失敗，則使用Synchronized關鍵字對節點進行加鎖，以保證線程安全。

二十、如何遍歷HashMap和HashTable？

遍歷HashMap

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

遍歷HashTable

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

二十一、如何實現一個線程安全的List？

使用Vector：Vector是Java早期提供的一個線程安全的List實現，它的方法都使用了synchronized關鍵字進行同步。但是由于同步機制的開銷，性能相對較低。
使用Collections.synchronizedList()：可以通過Collections類的synchronizedList()方法將一個普通的List轉換為線程安全的List。

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

使用CopyOnWriteArrayList：CopyOnWriteArrayList是Java并發包提供的一個線程安全的List實現。它的原理是在進行寫操作（如添加、刪除元素）時，會先復制一個新的數組，在新數組上進行操作，操作完成后再將原數組引用指向新數組。讀操作則直接讀取原數組，這樣讀操作和寫操作可以并發進行，并且讀操作不會受到寫操作的影響。

二十二、如何實現一個線程安全的Set？

使用Collections.synchronizedSet()：通過Collections類的synchronizedSet()方法將一個普通的Set轉換為線程安全的Set。

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

使用CopyOnWriteArraySet：CopyOnWriteArraySet是Java并發包提供的一個線程安全的Set實現，它內部是基于CopyOnWriteArrayList實現的。它的特點和CopyOnWriteArrayList類似，寫操作時復制數組，讀操作直接讀取原數組，保證了線程安全。

二十三、如何實現一個線程安全的Map？

使用HashTable：HashTable是一個線程安全的Map實現，它的方法都使用了synchronized關鍵字進行同步，但是性能較低。
使用Collections.synchronizedMap()：通過Collections類的synchronizedMap()方法將一個普通的Map轉換為線程安全的Map。

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

使用ConcurrentHashMap：ConcurrentHashMap是Java并發包提供的高效線程安全的Map實現，在JDK 1.7中采用分段鎖機制，JDK 1.8中采用CAS和Synchronized相結合的方式，具有較高的并發性能。

二十四、如何在Java中實現LRU緩存？

LRU（Least Recently Used）緩存即最近最少使用緩存。可以使用LinkedHashMap來實現LRU緩存。LinkedHashMap維護了一個雙向鏈表，記錄了元素的訪問順序。

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;
    }
}

在上述代碼中，通過繼承LinkedHashMap并重寫removeEldestEntry方法，當緩存大小超過設定的capacity時，自動移除最久未使用的元素。

二十五、如何在Java中實現FIFO隊列？

可以使用Queue接口的實現類，如ArrayDeque或LinkedList來實現FIFO（先進先出）隊列。

使用ArrayDeque實現FIFO隊列

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實現FIFO隊列

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());
        }
    }
}

在這兩個例子中，add方法用于向隊列中添加元素，poll方法用于從隊列頭部取出元素，從而實現了FIFO的特性。

二十六、如何在Java中實現優先級隊列？

可以使用PriorityQueue類來實現優先級隊列。PriorityQueue是一個基于堆數據結構的無界優先級隊列，默認情況下，元素按照自然順序進行排序，也可以通過傳入自定義的Comparator來實現自定義排序。

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，元素按照從小到大的順序被取出。如果需要自定義排序，可以創建一個實現Comparator接口的類，并在創建PriorityQueue時傳入該類的實例。

二十七、如何在Java中實現棧？

在 Java 里實現棧有兩種比較常見的方法：一是借助 Java 集合框架中的Stack類，二是利用Deque接口的實現類，像ArrayDeque。下面為你詳細介紹這兩種實現方式。

方法一：使用 Java 內置的Stack類
Java 提供了java.util.Stack類，它繼承自Vector，能用來實現棧的基本功能。下面是一個簡單的示例：

```java
import java.util.Stack;

public class StackExample {
public static void main(String[] args) {
// 創建一個棧對象
Stack stack = new Stack<>();

    // 入棧操作
    stack.push("Java");
    stack.push("Python");
    stack.push("C++");

    // 出棧操作
    System.out.println("出棧元素: " + stack.pop()); // 輸出: C++

    // 獲取棧頂元素
    System.out.println("棧頂元素: " + stack.peek()); // 輸出: Python

    // 判斷棧是否為空
    System.out.println("棧是否為空: " + stack.isEmpty()); // 輸出: false

    // 獲取棧的大小
    System.out.println("棧的大小: " + stack.size()); // 輸出: 2
}

}
...

方法二：使用Deque接口（推薦做法）
雖然Stack類使用起來很方便，但由于它是線程安全的，在單線程環境下會帶來一些性能損耗。所以，更推薦使用Deque接口的實現類，例如ArrayDeque。

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

public class DequeStackExample {
public static void main(String[] args) {
// 創建一個使用ArrayDeque實現的棧
Deque stack = new ArrayDeque<>();

    // 入棧操作
    stack.push("Apple");
    stack.push("Banana");
    stack.push("Cherry");

    // 出棧操作
    System.out.println("出棧元素: " + stack.pop()); // 輸出: Cherry

    // 獲取棧頂元素
    System.out.println("棧頂元素: " + stack.peek()); // 輸出: Banana

    // 判斷棧是否為空
    System.out.println("棧是否為空: " + stack.isEmpty()); // 輸出: false

    // 獲取棧的大小
    System.out.println("棧的大小: " + stack.size()); // 輸出: 2
}