2024年150道高频Java面试题（十五）

29. 请解释 Java 集合框架的基本结构。

Java 集合框架（Java Collections Framework，JCF）提供了一个统一的架构，用于存储和操作集合数据。它包含接口、实现这些接口的类以及操作集合的工具类。以下是 Java 集合框架的基本结构：

接口：
- Collection 接口：这是集合框架中的顶层接口，用于定义所有集合类型的共性操作，如添加、删除、判断是否包含等。
- List 接口：继承自 Collection 接口，它定义了一个有序的集合，允许重复元素和通过索引访问元素。
- Set 接口：也继承自 Collection 接口，它定义了一个不包含重复元素的集合。
- Queue 接口：用于定义队列的操作，它提供了额外的插入、删除和检查等操作。
- Deque 接口：扩展了 Queue 接口，它代表双端队列，允许元素从两端被添加或移除。
实现类：
- ArrayList：实现了 List 接口，使用动态数组来存储元素，支持随机访问。
- LinkedList：实现了 List 接口和 Deque 接口，使用双向链表存储元素，支持快速插入和删除。
- HashSet：实现了 Set 接口，它不保证元素的顺序，允许 null 值。
- LinkedHashSet：扩展了 HashSet，通过维护一个运行于所有条目的双重链接列表，它保证了迭代顺序。
- TreeSet：实现了 SortedSet 接口，它可以确保元素处于排序状态。
- PriorityQueue：实现了 Queue 接口，基于优先堆的无边界优先队列。
迭代器：
- 迭代器（Iterator）用于遍历集合中的元素，Collection 接口定义了 iterator() 方法，该方法返回一个迭代器。
工具类：
- Collections 类是一个包含用于操作集合（如排序和搜索）的静态方法的工具类。
算法：
- 集合框架还包括了可用于集合的算法，例如排序和搜索。

以下是一个简单的代码示例，展示如何使用 List 接口和 ArrayList 类：

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;public class ListExample {public static void main(String[] args) {// 创建一个ArrayList的实例List<String> list = new ArrayList<>();// 添加元素list.add("Apple");list.add("Banana");list.add("Cherry");// 通过索引访问元素System.out.println("First element: " + list.get(0));// 迭代列表中的元素for (String fruit : list) {System.out.println(fruit);}}
}

以上示例展示了集合框架的使用是多么的直观和灵活。通过使用接口，JCF 提供了可扩展性和互换性，使得在不同的场景下可以选择合适的集合类型。

30. 如何实现一个线程安全的集合？

在 Java 中，有多种方式可以实现一个线程安全的集合。以下是一些常用的方法：

1）使用同步集合工具

Java 的 java.util.concurrent 包提供了一些线程安全的集合类，如：

ConcurrentHashMap
CopyOnWriteArrayList
ConcurrentLinkedQueue

这些集合在内部已经实现了同步机制，可以直接使用。

2）使用 `Collections.synchronizedXXX()`

Java 的 Collections 类提供了一系列的静态方法，可以将普通的集合包装成线程安全的集合，例如：

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

3）使用 `Vector` 和 `Hashtable`

Java 早期版本提供了线程安全的 Vector 和 Hashtable 类，但是它们通常比后来的并发集合性能要差，不推荐在新的代码中使用。

4）使用 `ReentrantLock`

除了使用 Java 内建的同步机制，还可以使用显式锁 ReentrantLock 来包装一个集合。

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;public class ThreadSafeList<T> {private final List<T> list = new ArrayList<>();private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();public void add(T element) {lock.lock();try {list.add(element);} finally {lock.unlock();}}public T get(int index) {lock.lock();try {return list.get(index);} finally {lock.unlock();}}
}

5）使用 `CopyOnWrite`

CopyOnWrite 是一种可以用于实现线程安全集合的策略。基本思想是，每次修改集合时，都创建一个新的集合副本，修改操作在这个副本上进行，最后将引用指向新集合。

public class CopyOnWriteArrayList<T> {private volatile transient List<T> array;public CopyOnWriteArrayList() {array = new ArrayList<>();}public synchronized boolean add(T element) {List<T> newArrayList = new ArrayList<>(array);newArrayList.add(element);array = newArrayList;return true;}
}