Java集合框架面试常见问题与核心要点

Java集合框架（Java Collections Framework, JCF）是一个用于表示和操作集合的统一架构，包含了大量用于存储和处理对象组的接口、实现和算法。它为开发者提供了高效、灵活的数据结构解决方案，是Java编程中不可或缺的核心组成部分。

• 核心接口：Collection、List、Set、Queue、Map
• 主要实现类：ArrayList、LinkedList、HashSet、TreeSet、HashMap、TreeMap等
• 算法工具类：Collections和Arrays提供了大量静态方法

Collection与Map的区别

Collection和Map是集合框架中两个最顶层的接口，它们代表了不同的数据存储方式。

List接口及其实现类比较

List接口代表有序、可重复的集合，提供了基于索引的访问方式。主要的实现类有ArrayList、LinkedList和Vector。

• ArrayList：基于动态数组，查询快，增删慢，线程不安全
• LinkedList：基于双向链表，增删快，查询慢
• Vector：线程安全的动态数组，性能较差

在大多数场景下，ArrayList是首选，只有在频繁在列表中间插入删除元素时才考虑使用LinkedList。

Set接口与元素唯一性

Set接口表示不包含重复元素的集合，其实现类通过不同的机制来保证元素的唯一性。

• HashSet：基于HashMap实现，使用hashCode和equals判断元素相等
• LinkedHashSet：继承HashSet，同时维护元素的插入顺序
• TreeSet：基于红黑树实现，元素按自然顺序或定制顺序排序

要正确使用HashSet，存储在其中的对象必须正确重写hashCode和equals方法。

HashMap的工作原理

HashMap是面试中最常被问到的集合类，理解其工作原理至关重要。

• 数据结构：数组+链表/红黑树（JDK1.8+）
• 哈希冲突解决：链地址法
• 扩容机制：当元素数量超过容量×负载因子时，扩容为原来的2倍
• 线程安全性：非线程安全，可使用ConcurrentHashMap或Collections.synchronizedMap

在JDK1.8中，当链表长度超过8且数组长度大于64时，链表会转换为红黑树，以提高查询效率。

迭代器与快速失败机制

Iterator提供了遍历集合的标准方式，而快速失败(fail-fast)机制是集合框架的重要安全特性。

• Iterator模式：统一了不同集合的遍历方式
• 快速失败：在迭代过程中如果集合被修改，会抛出ConcurrentModificationException
• 安全失败：ConcurrentHashMap等并发集合使用迭代器的副本，不会快速失败

线程安全的集合类

在多线程环境下，需要使用线程安全的集合实现来保证数据一致性。

• 传统线程安全类：Vector、Hashtable
• 包装器方法：Collections.synchronizedXXX
• 并发集合：ConcurrentHashMap、CopyOnWriteArrayList

ConcurrentHashMap使用分段锁或CAS操作实现高并发性能，是现代Java并发编程的首选。