集合

Q1：说一说 ArrayList

ArrayList 是容量可变的非线程安全列表，使用数组实现，集合扩容时会创建更大的数组，把原有数组复制到新数组。支持对元素的快速随机访问，但插入与删除速度很慢。ArrayList 实现了 RandomAcess 标记接口，如果一个类实现了该接口，那么表示使用索引遍历比迭代器更快。
elementData是 ArrayList 的数据域，被 transient 修饰，序列化时会调用 writeObject 写入流，反序列化时调用 readObject 重新赋值到新对象的 elementData。原因是 elementData 容量通常大于实际存储元素的数量，所以只需发送真正有实际值的数组元素。
size 是当前实际大小，elementData 大小大于等于 size。
modCount 记录了 ArrayList 结构性变化的次数，继承自 AbstractList。所有涉及结构变化的方法都会增加该值。expectedModCount 是迭代器初始化时记录的 modCount 值，每次访问新元素时都会检查 modCount 和 expectedModCount 是否相等，不相等就会抛出异常。这种机制叫做 fail-fast，所有集合类都有这种机制。

Q2：说一说 LinkedList

LinkedList 本质是双向链表，与 ArrayList 相比插入和删除速度更快，但随机访问元素很慢。除继承 AbstractList 外还实现了 Deque 接口，这个接口具有队列和栈的性质。成员变量被 transient 修饰，原理和 ArrayList 类似。
LinkedList 包含三个重要的成员：size、first 和 last。size 是双向链表中节点的个数，first 和 last 分别指向首尾节点的引用。
LinkedList 的优点在于可以将零散的内存单元通过附加引用的方式关联起来，形成按链路顺序查找的线性结构，内存利用率较高。

Q3：Set 有什么特点，有哪些实现？

Set 不允许元素重复且无序，常用实现有 HashSet、LinkedHashSet 和 TreeSet。
HashSet 通过 HashMap 实现，HashMap 的 Key 即 HashSet 存储的元素，所有 Key 都使用相同的 Value ，一个名为 PRESENT 的 Object 类型常量。使用 Key 保证元素唯一性，但不保证有序性。由于 HashSet 是 HashMap 实现的，因此线程不安全。
HashSet 判断元素是否相同时，对于包装类型直接按值比较。对于引用类型先比较 hashCode 是否相同，不同则代表不是同一个对象，相同则继续比较 equals，都相同才是同一个对象。
LinkedHashSet 继承自 HashSet，通过 LinkedHashMap 实现，使用双向链表维护元素插入顺序。
TreeSet 通过 TreeMap 实现的，添加元素到集合时按照比较规则将其插入合适的位置，保证插入后的集合仍然有序。

Q4：TreeMap 有什么特点？

TreeMap 基于红黑树实现，增删改查的平均和最差时间复杂度均为 O(logn) ，最大特点是 Key 有序。Key 必须实现 Comparable 接口或提供的 Comparator 比较器，所以 Key 不允许为 null。
HashMap 依靠 hashCode 和 equals 去重，而 TreeMap 依靠 Comparable 或 Comparator。 TreeMap 排序时，如果比较器不为空就会优先使用比较器的 compare 方法，否则使用 Key 实现的 Comparable 的 compareTo 方法，两者都不满足会抛出异常。
TreeMap 通过 put 和 deleteEntry 实现增加和删除树节点。插入新节点的规则有三个：
① 需要调整的新节点总是红色的。
② 如果插入新节点的父节点是黑色的，不需要调整。
③ 如果插入新节点的父节点是红色的，由于红黑树不能出现相邻红色，进入循环判断，通过重新着色或左右旋转来调整。TreeMap 的插入操作就是按照 Key 的对比往下遍历，大于节点值向右查找，小于向左查找，先按照二叉查找树的特性操作，后续会重新着色和旋转，保持红黑树的特性。

Q5：HashMap 有什么特点？

JDK8 之前底层实现是数组 + 链表，JDK8 改为数组 + 链表/红黑树，节点类型从Entry 变更为 Node。主要成员变量包括存储数据的 table 数组、元素数量 size、加载因子 loadFactor。
table 数组记录 HashMap 的数据，每个下标对应一条链表，所有哈希冲突的数据都会被存放到同一条链表，Node/Entry 节点包含四个成员变量：key、value、next 指针和 hash 值。
HashMap 中数据以键值对的形式存在，键对应的 hash 值用来计算数组下标，如果两个元素 key 的 hash 值一样，就会发生哈希冲突，被放到同一个链表上，为使查询效率尽可能高，键的 hash 值要尽可能分散。
HashMap 默认初始化容量为 16，扩容容量必须是 2 的幂次方、最大容量为 1<< 30 、默认加载因子为 0.75。

Q6：HashMap 相关方法的源码？

JDK8 之前
hash：计算元素 key 的散列值
① 处理 String 类型时，调用 stringHash32 方法获取 hash 值。
② 处理其他类型数据时，提供一个相对于 HashMap 实例唯一不变的随机值 hashSeed 作为计算初始量。
③ 执行异或和无符号右移使 hash 值更加离散，减小哈希冲突概率。
indexFor：计算元素下标
将 hash 值和数组长度-1 进行与操作，保证结果不会超过 table 数组范围。
get：获取元素的 value 值
① 如果 key 为 null，调用 getForNullKey 方法，如果 size 为 0 表示链表为空，返回 null。如果 size 不为 0 说明存在链表，遍历 table[0] 链表，如果找到了 key 为 null 的节点则返回其 value，否则返回 null。
② 如果 key 为 不为 null，调用 getEntry 方法，如果 size 为 0 表示链表为空，返回 null 值。如果 size 不为 0，首先计算 key 的 hash 值，然后遍历该链表的所有节点，如果节点的 key 和 hash 值都和要查找的元素相同则返回其 Entry 节点。
③ 如果找到了对应的 Entry 节点，调用 getValue 方法获取其 value 并返回，否则返回 null。
put：添加元素
① 如果 key 为 null，直接存入 table[0]。
② 如果 key 不为 null，计算 key 的 hash 值。
③ 调用 indexFor 计算元素存放的下标 i。
④ 遍历 table[i] 对应的链表，如果 key 已存在，就更新 value 然后返回旧 value。
⑤ 如果 key 不存在，将 modCount 值加 1，使用 addEntry 方法增加一个节点并返回 null。
resize：扩容数组
① 如果当前容量达到了最大容量，将阈值设置为 Integer 最大值，之后扩容不再触发。
② 否则计算新的容量，将阈值设为 newCapacity x loadFactor 和 最大容量 + 1 的较小值。
③ 创建一个容量为 newCapacity 的 Entry 数组，调用 transfer 方法将旧数组的元素转移到新数组。
transfer：转移元素
① 遍历旧数组的所有元素，调用 rehash 方法判断是否需要哈希重构，如果需要就重新计算元素 key 的 hash 值。
② 调用 indexFor 方法计算元素存放的下标 i，利用头插法将旧数组的元素转移到新数组。
JDK8
hash：计算元素 key 的散列值
如果 key 为 null 返回 0，否则就将 key 的 hashCode 方法返回值高低16位异或，让尽可能多的位参与运算，让结果的 0 和 1 分布更加均匀，降低哈希冲突概率。
put：添加元素
① 调用 putVal 方法添加元素。
② 如果 table 为空或长度为 0 就进行扩容，否则计算元素下标位置，不存在就调用 newNode 创建一个节点。
③ 如果存在且是链表，如果首节点和待插入元素的 hash 和 key 都一样，更新节点的 value。
④ 如果首节点是 TreeNode 类型，调用 putTreeVal 方法增加一个树节点，每一次都比较插入节点和当前节点的大小，待插入节点小就往左子树查找，否则往右子树查找，找到空位后执行两个方法：balanceInsert 方法，插入节点并调整平衡、moveRootToFront 方法，由于调整平衡后根节点可能变化，需要重置根节点。
⑤ 如果都不满足，遍历链表，根据 hash 和 key 判断是否重复，决定更新 value 还是新增节点。如果遍历到了链表末尾则添加节点，如果达到建树阈值 7，还需要调用 treeifyBin 把链表重构为红黑树。
⑥ 存放元素后将 modCount 加 1，如果 ++size > threshold ，调用 resize 扩容。
get ：获取元素的 value 值
① 调用 getNode 方法获取 Node 节点，如果不是 null 就返回其 value 值，否则返回 null。
② getNode 方法中如果数组不为空且存在元素，先比较第一个节点和要查找元素的 hash 和 key ，如果都相同则直接返回。
③ 如果第二个节点是 TreeNode 类型则调用 getTreeNode 方法进行查找，否则遍历链表根据 hash 和 key 查找，如果没有找到就返回 null。
resize：扩容数组
重新规划长度和阈值，如果长度发生了变化，部分数据节点也要重新排列。
重新规划长度
① 如果当前容量 oldCap > 0 且达到最大容量，将阈值设为 Integer 最大值，return 终止扩容。
② 如果未达到最大容量，当 oldCap << 1 不超过最大容量就扩大为 2 倍。
③ 如果都不满足且当前扩容阈值 oldThr > 0，使用当前扩容阈值作为新容量。
④ 否则将新容量置为默认初始容量 16，新扩容阈值置为 12。
重新排列数据节点
① 如果节点为 null 不进行处理。
② 如果节点不为 null 且没有next节点，那么通过节点的 hash 值和 新容量-1 进行与运算计算下标存入新的 table 数组。
③ 如果节点为 TreeNode 类型，调用 split 方法处理，如果节点数 hc 达到6 会调用 untreeify 方法转回链表。
④ 如果是链表节点，需要将链表拆分为 hash 值超出旧容量的链表和未超出容量的链表。对于hash & oldCap == 0 的部分不需要做处理，否则需要放到新的下标位置上，新下标 = 旧下标 + 旧容量。

Q7：HashMap 为什么线程不安全？

JDK7 存在死循环和数据丢失问题。
数据丢失：

• 并发赋值被覆盖： 在 createEntry 方法中，新添加的元素直接放在头部，使元素之后可以被更快访问，但如果两个线程同时执行到此处，会导致其中一个线程的赋值被覆盖。
• 已遍历区间新增元素丢失： 当某个线程在 transfer 方法迁移时，其他线程新增的元素可能落在已遍历过的哈希槽上。遍历完成后，table 数组引用指向了 newTable，新增元素丢失。
• 新表被覆盖： 如果 resize 完成，执行了 table = newTable，则后续元素就可以在新表上进行插入。但如果多线程同时 resize ，每个线程都会 new 一个数组，这是线程内的局部对象，线程之间不可见。迁移完成后resize 的线程会赋值给 table 线程共享变量，可能会覆盖其他线程的操作，在新表中插入的对象都会被丢弃。

死循环： 扩容时 resize 调用 transfer 使用头插法迁移元素，虽然 newTable 是局部变量，但原先 table 中的 Entry 链表是共享的，问题根源是 Entry 的 next 指针并发修改，某线程还没有将 table 设为 newTable 时用完了 CPU 时间片，导致数据丢失或死循环。
JDK8 在 resize 方法中完成扩容，并改用尾插法，不会产生死循环，但并发下仍可能丢失数据。可用 ConcurrentHashMap 或 Collections.synchronizedMap 包装成同步集合。