【面试题-004】ArrayList 和 LinkList区别

yujkss2024-06-05 12:32

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ArrayList 和 LinkedList 都是 Java 中常用的动态数组实现，都实现了 List 接口，但它们在内部数据结构和性能方面有所不同：

  1. 内部数据结构：
    • ArrayList 是基于动态数组的数据结构，它允许快速随机访问。数组的大小在创建时是固定的，当数组满时，ArrayList 会自动扩容，创建一个新的更大的数组，并将原数组的内容复制到新数组中。
    • LinkedList 是基于双向链表的数据结构，每个元素都是一个节点，包含数据和两个指针，分别指向前一个节点和后一个节点。链表的特点是元素可以灵活地插入和删除，不需要移动其他元素。
  2. 性能：
    • ArrayList 提供了更快的随机访问和顺序访问速度，时间复杂度为 O(1)。但是，在数组中间插入或删除元素时，需要移动目标位置后的所有元素，时间复杂度为 O(n)。
    • LinkedList 在链表中间插入和删除元素非常快，时间复杂度为 O(1)。但是，随机访问较慢，时间复杂度为 O(n)，因为需要从头节点或尾节点开始遍历链表。
  3. 内存占用：
    • ArrayList 由于是基于数组的，需要连续的内存空间，而且在扩容时可能会浪费一些内存（因为新数组可能会留有未使用的空间）。
    • LinkedList 每个元素都需要额外的内存来存储指向前一个和后一个节点的指针，因此在存储大量元素时，可能会比 ArrayList 使用更多的内存。
  4. 适用场景：
    • 当需要频繁进行随机访问操作时，ArrayList 是更好的选择。
    • 当需要频繁在列表中间进行插入和删除操作时，LinkedList 更适合。
      选择 ArrayList 还是 LinkedList 取决于具体的应用场景和对性能的需求。在实际开发中，ArrayList 由于其优异的随机访问性能，通常是最常用的列表实现。只有在特定的场景下，当链表的特性（如频繁的插入和删除操作）能带来明显的性能优势时，才会考虑使用 LinkedList。

List和set

Java 提供了丰富的集合框架（Collection Framework），用于存储和管理对象集合。这些集合可以分为几个主要类别：

  1. List（列表） ：列表是一个有序的集合，可以包含重复的元素。实现 List 接口的类包括：
    • ArrayList：基于动态数组的数据结构，提供快速的随机访问和顺序访问。
    • LinkedList：基于双向链表的数据结构，提供快速的插入和删除操作。
    • Vector：和 ArrayList 类似，但是是同步的，适用于多线程环境。不过，由于同步带来的性能开销，通常建议使用 ArrayList 并自行同步，或者使用并发集合。
  2. Set（集） ：集是一个无序的集合，不包含重复的元素。实现 Set 接口的类包括：
    • HashSet：基于哈希表实现，提供快速的插入、删除和查找操作。
    • LinkedHashSet：具有 HashSet 的查找效率，并且维护了插入顺序。
    • TreeSet：基于红黑树实现，可以确保元素处于排序状态。
    • EnumSet：用于存放枚举类型，内部使用位向量实现，非常高效。
  3. Queue（队列） ：队列是一个先进先出（FIFO）的数据结构。实现 Queue 接口的类包括：
    • PriorityQueue：基于优先级堆的无界优先队列。
    • LinkedList：也可以用作队列，因为实现了 Queue 接口。
    • ArrayDeque：是一个可扩容的双端队列，可以作为栈或队列使用。
  4. Deque（双端队列） ：双端队列允许在队列的两端进行元素的插入和删除。实现 Deque 接口的类包括：
    • ArrayDeque：基于数组的双端队列实现。
    • LinkedList：也可以用作双端队列。
  5. Map（映射） ：映射是一个键值对集合，键不包含重复的元素。实现 Map 接口的类包括：
    • HashMap：基于哈希表实现，提供快速的查找、插入和删除操作。
    • LinkedHashMap：维护了插入顺序的 HashMap。
    • TreeMap：基于红黑树实现，可以确保键处于排序状态。
    • Hashtable：和 HashMap 类似，但是是同步的，适用于多线程环境。同样，由于同步带来的性能开销，通常建议使用 HashMap 并自行同步，或者使用并发集合。
    • EnumMap：键为枚举类型的特殊映射，内部使用数组实现，非常高效。
  6. 并发集合 ：Java 提供了一些线程安全的集合，用于多线程环境：
    • ConcurrentHashMap：线程安全的 HashMap。
    • CopyOnWriteArrayList：线程安全的 ArrayList，适用于读多写少的场景。
    • CopyOnWriteArraySet：线程安全的 Set，适用于读多写少的场景。
    • BlockingQueue：线程安全的队列，用于生产者-消费者模式。
    • ConcurrentLinkedQueue：线程安全的非阻塞队列。
  7. 其他集合 ：
    • Stack：栈是一个后进先出（LIFO）的数据结构，Java 中没有单独的 Stack 类，而是使用 Deque 接口的实现类，如 ArrayDeque，来实现栈的功能。
      这些集合类和接口都在 java.util 包中，除了并发集合，它们大多在 java.util.concurrent 包中。Java 的集合框架提供了丰富的API，使得操作集合变得非常方便和灵活。

ArrayList扩容机制

ArrayList 是 Java 中使用最广泛的动态数组实现之一。它允许我们动态地添加和删除元素，而不需要担心数组的固定大小。ArrayList 的扩容机制是其核心特性之一，下面是它的工作原理：

  1. 初始容量 ：
    • 当我们创建一个 ArrayList 对象时，可以指定一个初始容量，如果没有指定，默认容量为 10。
  2. 扩容时机 ：
    • 当我们尝试添加元素到 ArrayList 中，并且数组的当前大小不足以容纳新元素时，ArrayList 需要进行扩容。
  3. 扩容过程 ：
    • ArrayList 通过一个内部数组来存储元素。当需要扩容时，它会创建一个新的更大的数组（通常是原数组大小的 1.5 倍），然后将原数组中的所有元素复制到新数组中。
    • 这个过程是通过 System.arraycopy() 方法实现的，它是一个本地方法，可以高效地复制数组。
  4. 内存复制 ：
    • 扩容涉及到内存复制，这是一个相对昂贵的操作，因为它需要将所有现有元素从一个数组复制到另一个数组。
    • 因此，虽然 ArrayList 提供了动态添加元素的便利，但在大量添加元素的场景下，频繁的扩容可能会影响性能。
  5. 预分配 ：
    • 为了避免频繁的扩容操作，如果预先知道将要存储的元素数量，可以在创建 ArrayList 时指定一个足够大的初始容量，这样可以减少扩容的次数。
  6. 缩容 ：
    • ArrayList 没有提供自动缩容的功能。如果需要减少存储空间的使用，可以通过调用 trimToSize() 方法来缩小数组的大小以匹配当前元素数量。
      扩容机制是 ArrayList 能够灵活地处理元素数量的变化的关键，但它也带来了性能上的考虑。在实际使用中，根据应用场景和性能要求，合理地管理 ArrayList 的容量是非常重要的。

HashMap扩容机制

HashMap 是 Java 中使用哈希表实现的映射接口，它存储键值对（key-value pairs）。HashMap 的扩容机制是其核心特性之一，用于处理哈希表中的哈希冲突和提高性能。下面是 HashMap 的扩容机制的工作原理：

  1. 初始容量和负载因子 ：
    • 创建 HashMap 时，可以指定初始容量和负载因子。初始容量是哈希表中的桶数，负载因子是哈希表填充程度的度量标准。
  2. 扩容时机 ：
    • 当 HashMap 中的元素数量达到容量和负载因子的乘积时，即 HashMap 的实际大小超过了负载因子与当前容量的乘积，HashMap 就会进行扩容。
  3. 扩容过程 ：
    • 扩容过程涉及创建一个新的更大的数组（通常是原数组大小的两倍），然后将原数组中的所有元素重新哈希并复制到新数组中。
    • 重新哈希是因为哈希表的容量改变了，每个键的哈希值与新容量之间的关系可能会改变，因此需要重新计算每个键的索引位置。
  4. 内存复制 ：
    • 扩容涉及到内存复制，这是一个相对昂贵的操作，因为它需要将所有现有元素从一个数组复制到另一个数组，并重新计算每个元素的哈希值。
    • 这个过程是通过数组的复制和链表的遍历来实现的。
  5. 链表和红黑树 ：
    • 在 HashMap 中，哈希表的每个桶可能包含一个链表或一棵红黑树。当桶中的元素数量超过一定阈值时，链表会转换为红黑树，以提高搜索效率。
    • 扩容时，链表和红黑树中的元素都需要重新哈希和重新组织。
  6. 性能考虑 ：
    • 频繁的扩容可能会影响 HashMap 的性能，因为每次扩容都需要重新哈希和复制所有元素。
    • 为了避免性能问题，如果预先知道将要存储的键值对数量，可以在创建 HashMap 时指定一个足够大的初始容量。
      HashMap 的扩容机制是为了保持哈希表的性能和效率，同时处理哈希冲突。在实际使用中，根据应用场景和性能要求，合理地管理 HashMap 的容量是非常重要的。

HashMap初始容量（Initial Capacity）和负载因子（Load Factor）

在 Java 的 HashMap 中，初始容量（Initial Capacity）和负载因子（Load Factor）是两个重要的参数，它们在创建 HashMap 时可以进行调整，以优化性能和内存使用。

  1. 初始容量 ：
    • 初始容量是指 HashMap 创建时的桶数，即内部数组的大小。默认的初始容量是 16。
    • 设置一个合适的初始容量可以减少扩容操作的次数，从而提高性能。如果预先知道将要存储的键值对数量，可以选择一个接近于预期数量的初始容量，但最好保持为 2 的幂，因为 HashMap 使用哈希值与数组长度的模运算来定位元素，2 的幂可以使得这个运算更高效。
  2. 负载因子 ：
    • 负载因子是衡量 HashMap 填充程度的一个指标，它决定了 HashMap 何时进行扩容。负载因子的默认值是 0.75。
    • 负载因子等于当前元素数量（即键值对的数量）与内部数组大小的比值。当 HashMap 中的元素数量达到负载因子与内部数组大小的乘积时，HashMap 就会进行扩容，通常是容量翻倍。
    • 设置一个较低的负载因子可以减少哈希冲突的概率，但会增加内存的使用和扩容操作的频率。设置一个较高的负载因子可以节省内存，但可能会增加哈希冲突的概率和链表的长度，从而降低性能。
      在实际应用中，选择合适的初始容量和负载因子取决于具体的使用场景。如果对内存使用非常敏感，可以选择一个较高的负载因子。如果对性能要求较高，尤其是在插入和查找操作非常频繁的情况下，可以选择一个较低的负载因子，并设置一个足够大的初始容量以减少扩容操作的次数。

HashMap与HashTable区别 ？HashMap底层数据结构？

HashMap 和 Hashtable 都是 Java 中用于存储键值对的数据结构，但它们之间有一些关键的区别：

  1. 同步性 ：
    • HashMap 不是同步的，如果多个线程同时访问并修改 HashMap，必须外部同步。
    • Hashtable 是同步的，它所有的公共方法都是同步的，适用于多线程环境。但是，这会带来性能开销，因为它需要锁定整个表来防止并发修改。
  2. null值和null键 ：
    • HashMap 允许使用一个 null 键和多个 null 值。
    • Hashtable 不允许使用 null 键或 null 值。
  3. 迭代顺序 ：
    • HashMap 提供了更快的迭代速度，并且迭代顺序是不确定的。
    • Hashtable 的迭代速度较慢，并且迭代顺序也是不确定的。
  4. 继承 ：
    • HashMap 继承自 AbstractMap 类。
    • Hashtable 继承自 Dictionary 类，这是一个已经被废弃的类。
  5. 性能 ：
    • HashMap 通常提供比 Hashtable 更好的性能，因为 HashMap 的实现更加优化。
  6. 历史 ：
    • Hashtable 是早期 Java 版本中的实现，而 HashMap 是在 Java 2（JDK 1.2）中引入的。
      HashMap 的底层数据结构是一个数组，数组的每个元素是一个链表（在 Java 8 及更高版本中，链表在达到一定长度后会转换为红黑树以提高性能）。这个数组被称为桶（bucket）数组，每个桶对应一个哈希值。当插入一个键值对时，首先会根据键的哈希值计算出桶的索引，然后将键值对存储在相应的桶中的链表（或红黑树）中。如果两个不同的键产生了相同的哈希值，会发生哈希冲突，这时会在同一个桶中的链表（或红黑树）中存储这两个键值对。
      由于 Hashtable 的许多特性已经被 HashMap 替代，并且 Hashtable 的同步性能较差，通常建议在不需要线程安全的场景下使用 HashMap，在需要线程安全的场景下使用 ConcurrentHashMap。

ConcurrentHashMap底层数据结构？

ConcurrentHashMap 是 Java 中的一个线程安全的映射实现，它位于 java.util.concurrent 包中。ConcurrentHashMap 的底层数据结构在 Java 8 及其之后的版本中经历了一些变化，下面是主要的组成：

  1. 节点（Node） ：
    • ConcurrentHashMap 中的元素以节点（Node）的形式存储，每个节点包含键、值、哈希值和指向下一个节点的指针。
  2. 数组（Segment） （Java 8 之前）：
    • 在 Java 8 之前的版本中，ConcurrentHashMap 使用了一个分段锁（Segment）的数据结构，其中内部数组被分割成多个段，每个段是一个独立的锁结构，用于减少锁竞争。
    • 每个段包含一个小的哈希表，用于存储节点。
  3. 桶（Bucket）数组 （Java 8 及之后）：
    • 从 Java 8 开始，ConcurrentHashMap 的底层数据结构被重新设计，去掉了分段锁，转而使用一个大的桶数组（也称为哈希桶数组或哈希表），类似于 HashMap 的结构。
    • 桶数组中的每个桶可能包含一个链表或一棵树（红黑树），用于解决哈希冲突。
  4. 链表和红黑树 ：
    • 当多个键映射到同一个桶时，这些键值对以链表的形式存储。
    • 在链表长度超过一定阈值后，链表会被转换成红黑树，以提高搜索效率。
  5. CAS（Compare-And-Swap）操作 ：
    • ConcurrentHashMap 使用了无锁算法和 CAS 操作来实现并发安全，这是一种乐观锁策略，它允许在不加锁的情况下对数据进行修改，只有当预期值与实际值相同时才进行更新。
  6. 同步机制 ：
    • ConcurrentHashMap 使用了细粒度的同步机制，只对哈希桶数组中的特定桶进行锁定，而不是整个映射，这大大减少了锁竞争，提高了并发性能。
      ConcurrentHashMap 的设计目的是提供一种高效的线程安全映射，它在多线程环境中提供了良好的并发性能，同时避免了 Hashtable 的全局锁带来的性能瓶颈。
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