Java集合常见面试题总结(上)

背诵重点

上篇重点放在集合框架、List、Set 和 Queue。回答时不要展开太多源码，先讲清楚“数据结构、是否有序、是否允许重复、是否线程安全、适用场景”。

建议按这条线背：

1. 集合体系：Collection 和 Map 的区别。
2. List：ArrayList、LinkedList、Vector。
3. Set：HashSet、LinkedHashSet、TreeSet。
4. Queue：Queue、Deque、PriorityQueue、BlockingQueue。
5. 常见机制：扩容、fail-fast、比较器、阻塞队列。

Java 集合框架有哪些主要接口？

Java 集合主要分两大类：

• Collection：存放单个元素，常见子接口有 List、Set、Queue。
• Map：存放键值对，常见实现有 HashMap、LinkedHashMap、TreeMap、ConcurrentHashMap。

Collection 关注“一个个元素怎么存”，Map 关注“key 到 value 的映射关系”。

List、Set、Queue、Map 有什么区别？

List：元素有序、可重复，支持按下标访问，常见实现是 ArrayList、LinkedList。

Set：元素不可重复，常见实现是 HashSet、LinkedHashSet、TreeSet。

Queue：队列结构，通常按先进先出或优先级规则处理元素，常见实现是 ArrayDeque、PriorityQueue、各种阻塞队列。

Map：键值对结构，key 不可重复，value 可以重复，常见实现是 HashMap、TreeMap、ConcurrentHashMap。

一句话：List 管顺序，Set 管唯一，Queue 管排队，Map 管映射。

集合框架底层数据结构怎么记？

常见集合底层结构：

• ArrayList：动态数组。
• LinkedList：双向链表。
• HashSet：底层基于 HashMap。
• LinkedHashSet：底层基于 LinkedHashMap。
• TreeSet：红黑树。
• HashMap：数组 + 链表 + 红黑树。
• LinkedHashMap：HashMap + 双向链表。
• TreeMap：红黑树。
• PriorityQueue：堆。
• ArrayDeque：循环数组。

如何选用集合？

按需求选：

• 需要按下标快速访问：ArrayList。
• 需要频繁头尾操作：ArrayDeque 或 LinkedList。
• 需要元素唯一：HashSet。
• 需要元素唯一且保持插入顺序：LinkedHashSet。
• 需要元素唯一且排序：TreeSet。
• 需要 key-value 存储：HashMap。
• 需要 key 有序：TreeMap。
• 需要线程安全的 Map：ConcurrentHashMap。
• 需要生产者消费者模型：BlockingQueue。

为什么要使用集合？

数组长度固定，扩容、删除、查找都需要自己处理。集合封装了动态扩容、泛型、迭代、排序、去重、映射等能力，使用更灵活。

数组适合固定长度、简单访问；集合适合业务中数量不确定、操作复杂的数据。

ArrayList 和数组有什么区别？

数组长度固定，创建后不能改变；ArrayList 底层也是数组，但可以自动扩容。

数组可以存基本类型和对象；ArrayList 只能存对象，基本类型需要装箱。

数组 API 简单；ArrayList 提供了 add()、remove()、contains()、iterator() 等常用操作。

一句话：数组更底层、更固定；ArrayList 更灵活、更适合业务开发。

ArrayList 和 Vector 有什么区别？

ArrayList 线程不安全，性能更好，是现在最常用的 List 实现。

Vector 方法基本加了 synchronized，线程安全但性能较差，属于早期集合类，现在很少使用。

如果需要线程安全 List，优先考虑 CopyOnWriteArrayList、Collections.synchronizedList() 或外部加锁，而不是 Vector。

Vector 和 Stack 有什么区别？

Vector 是动态数组实现的 List。

Stack 继承自 Vector，表示后进先出的栈。

现在不推荐使用 Stack，如果需要栈结构，优先使用 ArrayDeque。

ArrayList 可以添加 null 吗？

可以。ArrayList 允许存储 null。

但业务代码里不建议随意放 null，否则遍历、调用方法、拆箱时都容易出现 NullPointerException。

ArrayList 插入和删除的时间复杂度是多少？

尾部添加：通常是 O(1)，如果触发扩容则是 O(n)。

头部或中间插入：O(n)，因为需要移动元素。

尾部删除：O(1)。

头部或中间删除：O(n)，因为需要移动元素。

总结：ArrayList 查询快，按下标访问是 O(1)；中间插入删除慢，因为数组元素要移动。

LinkedList 插入和删除的时间复杂度是多少？

头尾插入/删除：O(1)，因为只需要改指针。

中间插入/删除：O(n)，因为要先遍历找到目标节点。

按下标访问：O(n)，因为链表不能像数组一样直接定位。

面试注意：不要简单说 LinkedList 增删一定快。只有头尾操作快，中间操作仍然要遍历。

LinkedList 为什么不能实现 RandomAccess？

RandomAccess 是标记接口，表示支持快速随机访问。

ArrayList 底层是数组，可以通过下标直接定位元素，所以实现了 RandomAccess。

LinkedList 底层是链表，按下标访问需要从头或尾遍历，时间复杂度是 O(n)，所以不适合实现 RandomAccess。

ArrayList 和 LinkedList 有什么区别？

核心区别：

• ArrayList 底层是动态数组，LinkedList 底层是双向链表。
• ArrayList 随机访问快，get(index) 是 O(1)。
• LinkedList 随机访问慢，get(index) 是 O(n)。
• ArrayList 中间插入删除慢，需要移动元素。
• LinkedList 头尾插入删除快，中间插入删除仍需要先遍历。
• ArrayList 内存更紧凑，LinkedList 每个节点还要保存前后指针，额外开销更大。

实际开发中，大多数场景优先使用 ArrayList。如果是队列、栈、双端队列场景，通常优先使用 ArrayDeque。

ArrayList 的扩容机制是什么？

ArrayList 底层是数组。默认无参构造创建时数组还没有真正分配容量，第一次添加元素时才会初始化容量。

添加元素时如果容量不够，就会扩容。JDK 8 中通常扩容为原容量的 1.5 倍，然后把旧数组元素复制到新数组。

扩容成本是 O(n)，所以如果能预估元素数量，建议创建时指定初始容量，减少扩容次数。

集合中的 fail-fast 和 fail-safe 是什么？

fail-fast：快速失败。遍历集合时，如果集合结构被其他操作修改，迭代器会尽快抛出 ConcurrentModificationException。典型集合有 ArrayList、HashMap。

fail-safe：安全失败。遍历时基于副本或弱一致机制，不会因为并发修改立刻抛异常。典型集合有 CopyOnWriteArrayList、ConcurrentHashMap。

注意：fail-fast 不是并发安全保证，只是一种尽早发现错误的机制。

遍历集合时如何安全删除元素？

不要在增强 for 循环里直接调用集合的 remove()。

安全方式：

• 使用 Iterator 遍历，并调用 iterator.remove()。
• 使用 removeIf()。
• 并发场景使用合适的并发集合，并理解其弱一致语义。

Comparable 和 Comparator 有什么区别？

Comparable 是自然排序接口，类自己实现 compareTo()，表示“我自己怎么比较”。

Comparator 是外部比较器，单独定义比较规则，表示“别人指定我怎么比较”。

区别：

• Comparable 写在类内部，排序规则通常固定。
• Comparator 写在类外部，排序规则更灵活。
• 一个类只能有一种自然排序，但可以有多个 Comparator。

HashSet、LinkedHashSet、TreeSet 有什么区别？

HashSet：无序、去重，底层基于 HashMap，查询效率通常最高。

LinkedHashSet：去重，并维护插入顺序，底层基于 LinkedHashMap。

TreeSet：去重，并按自然顺序或比较器排序，底层红黑树，增删查复杂度 O(log n)。

选择：

• 只要求去重：HashSet。
• 去重且保留插入顺序：LinkedHashSet。
• 去重且排序：TreeSet。

Set 的无序性和不可重复性怎么理解？

不可重复：不能同时存放两个相等的元素。HashSet 依赖 hashCode() 和 equals() 判断重复；TreeSet 依赖比较规则判断重复。

无序：不是按添加顺序保存。注意，无序不等于随机，只是不能依赖它的遍历顺序。

如果需要保持插入顺序，用 LinkedHashSet；如果需要排序，用 TreeSet。

Queue 和 Deque 有什么区别？

Queue 是单端队列，通常从队尾入队、队头出队。

Deque 是双端队列，两端都可以插入和删除，既可以当队列，也可以当栈。

实际开发中，如果需要栈或双端队列，优先使用 ArrayDeque。

ArrayDeque 和 LinkedList 有什么区别？

两者都可以作为队列或双端队列使用。

ArrayDeque 底层是可扩容循环数组，内存连续，缓存友好，通常性能更好，不允许存 null。

LinkedList 底层是双向链表，每个节点有额外指针开销，随机访问慢，允许存 null。

实际作为栈、队列、双端队列使用时，通常优先选 ArrayDeque。

PriorityQueue 是什么？

PriorityQueue 是优先级队列，底层通常是堆。

它不是先进先出，而是每次取出优先级最高的元素。默认按自然顺序，也可以传入 Comparator 自定义优先级。

注意：PriorityQueue 不是线程安全的，也不允许存 null。

BlockingQueue 是什么？

BlockingQueue 是阻塞队列，常用于生产者消费者模型。

当队列为空时，消费者获取元素可以阻塞等待；当队列满时，生产者插入元素可以阻塞等待。

常见方法：

• put()：队列满时阻塞。
• take()：队列空时阻塞。
• offer()：插入失败返回 false，也可以带超时时间。
• poll()：获取不到返回 null，也可以带超时时间。

BlockingQueue 常见实现类有哪些？

常见实现：

• ArrayBlockingQueue：数组实现的有界阻塞队列。
• LinkedBlockingQueue：链表实现的阻塞队列，可以有界，也可以近似无界。
• PriorityBlockingQueue：支持优先级的无界阻塞队列。
• DelayQueue：延迟队列，元素到期后才能被取出。
• SynchronousQueue：不存储元素，每个 put 必须等待一个 take。
• LinkedTransferQueue：链表实现的无界传输队列。

ArrayBlockingQueue 和 LinkedBlockingQueue 有什么区别？

ArrayBlockingQueue 底层是数组，必须指定容量，是有界队列。它通常使用一把锁控制入队和出队。

LinkedBlockingQueue 底层是链表，可以指定容量，不指定时容量很大。它通常使用两把锁分别控制入队和出队，并发能力相对更好。

选择：

• 容量固定、希望内存可控：ArrayBlockingQueue。
• 吞吐要求更高、生产消费并发较多：LinkedBlockingQueue。
• 线程池工作队列不要随便用无界 LinkedBlockingQueue，可能堆积任务导致内存压力。