Вопросы по собеседованию о коллекциях Java

ИнтерфейсIterable представляет любую коллекцию, которая может быть повторена с помощью циклаfor-each. ИнтерфейсCollection наследуется отIterable и добавляет общие методы для проверки того, находится ли элемент в коллекции, добавления и удаления элементов из коллекции, определения его размера и т. Д.

ИнтерфейсыList,Set иQueue наследуются от интерфейсаCollection.

List - это упорядоченная коллекция, и к ее элементам можно получить доступ по их индексу в списке.

Set - это неупорядоченная коллекция с отдельными элементами, аналогичная математическому понятию набора.

Queue - это коллекция с дополнительными методами для добавления, удаления и проверки элементов, полезная для хранения элементов перед обработкой.

ИнтерфейсMap также является частью структуры сбора, но не расширяетCollection. Это сделано для того, чтобы подчеркнуть разницу между коллекциями и отображениями, которые трудно собрать под общей абстракцией. ИнтерфейсMap представляет собой структуру данных «ключ-значение» с уникальными ключами и не более одного значения для каждого ключа.

Одной из наиболее часто используемых реализаций интерфейсаMap являетсяHashMap. Это типичная структура данных хэш-карты, которая позволяет получать доступ к элементам за постоянное время, или O (1), ноdoes not preserve order and is not thread-safe.

Чтобы сохранить порядок вставки элементов, вы можете использовать классLinkedHashMap, который расширяетHashMap и дополнительно связывает элементы в связанный список с предсказуемыми накладными расходами.

КлассTreeMap хранит свои элементы в красно-черной древовидной структуре, которая позволяет получать доступ к элементам за логарифмическое время или O (log (n)). В большинстве случаев он медленнее, чемHashMap, но позволяет сохранять элементы в порядке в соответствии с некоторымComparator.

ConcurrentHashMap - это поточно-ориентированная реализация хэш-карты. Он обеспечивает полный параллелизм при извлечении (поскольку операцияget не влечет за собой блокировку) и ожидаемый высокий уровень параллелизма обновлений.

КлассHashtable присутствует в Java с версии 1.0. Это не считается устаревшим, но в основном считается устаревшим. Это потокобезопасная хэш-карта, но в отличие отConcurrentHashMap, все ее методы представляют собой простоsynchronized, что означает, что все операции с этим блоком карты, даже получение независимых значений.

ArrayList - это реализация интерфейсаList, основанная на массиве. ArrayList внутренне обрабатывает изменение размера этого массива при добавлении или удалении элементов. Вы можете получить доступ к его элементам в постоянное время по их индексу в массиве. Однако при вставке или удалении элемента происходит смещение всех последующих элементов, что может быть медленным, если массив большой, а вставленный или удаленный элемент находится близко к началу списка.

LinkedList - это двусвязный список: отдельные элементы помещаются в объектыNode, которые имеют ссылки на предыдущий и следующийNode. Эта реализация может показаться более эффективной, чемArrayList, если у вас много вставок или удалений в разных частях списка, особенно если список большой.

Однако в большинстве случаевArrayList превосходитLinkedList. Даже элементы, сдвигающиеся вArrayList, хотя и являются операцией O (n), реализованы как очень быстрый вызовSystem.arraycopy(). Он может даже появиться быстрее, чем вставка O (1)LinkedList 's, которая требует создания экземпляра объектаNode и обновления нескольких ссылок под капотом. LinkedList также может иметь большие накладные расходы на память из-за создания нескольких небольших объектовNode.

Оба классаHashSet иTreeSet реализуют интерфейсSet и представляют собой наборы отдельных элементов. Кроме того,TreeSet реализует интерфейсNavigableSet. Этот интерфейс определяет методы, которые используют преимущества упорядочения элементов.

HashSet внутренне основан наHashMap, аTreeSet поддерживается экземпляромTreeMap, который определяет их свойства:HashSet не сохраняет элементы в каких-либо конкретных порядок. Итерация по элементам вHashSet производит их в перемешанном порядке. TreeSet, с другой стороны, производит элементы в порядке в соответствии с некоторым предопределеннымComparator.

КлассHashMap представляет собой типичную структуру данных хэш-карты с определенными вариантами дизайна.

HashMap поддерживается массивом изменяемого размера, который имеет размер степени двойки. Когда элемент добавляется кHashMap, сначала вычисляется егоhashCode (значениеint). Затем определенное количество младших битов этого значения используется в качестве индекса массива. Этот индекс напрямую указывает на ячейку массива (называемую сегментом), в которую должна быть помещена эта пара ключ-значение. Доступ к элементу по индексу в массиве - это очень быстрая операция O (1), которая является основной особенностью структуры хэш-карты.

ОднакоhashCode не уникален, и даже для разныхhashCodes мы можем получить одну и ту же позицию в массиве. Это называется столкновением. Существует более одного способа разрешения коллизий в структурах данных хэш-карт. В JavaHashMap каждая корзина фактически относится не к одному объекту, а к красно-черному дереву всех объектов, попавших в эту корзину (до Java 8 это был связанный список).

Поэтому, когдаHashMap определил сегмент для ключа, он должен пройти по этому дереву, чтобы поместить на его место пару «ключ-значение». Если пара с таким ключом уже существует в корзине, она заменяется новой.

Чтобы получить объект по его ключу,HashMap снова должен вычислитьhashCode для ключа, найти соответствующее ведро, пройти по дереву, вызватьequals для ключей в дереве и найти соответствующий.

HashMap имеет сложность O (1) или постоянную сложность размещения и получения элементов. Конечно, множество коллизий может ухудшить производительность до O (log (n)) временной сложности в худшем случае, когда все элементы попадают в одну корзину. Обычно это решается путем предоставления хорошей хэш-функции с равномерным распределением.

Когда внутренний массивHashMap заполнен (подробнее об этом в следующем вопросе), его размер автоматически увеличивается в два раза. Эта операция подразумевает повторное хеширование (восстановление внутренних структур данных), что требует больших затрат, поэтому вам следует заранее спланировать размер вашихHashMap.

АргументinitialCapacity конструктораHashMap влияет на размер внутренней структуры данныхHashMap, но рассуждать о фактическом размере карты немного сложно. Внутренняя структура данныхHashMap представляет собой массив с размером степени двойки. Таким образом, значение аргументаinitialCapacity увеличивается до следующей степени двойки (например, если вы установите его на 10, фактический размер внутреннего массива будет равен 16).

Коэффициент загрузки aHashMap - это отношение количества элементов к количеству ковшей (т. Е. размер внутреннего массива). Например, если 16-сегментныйHashMap содержит 12 элементов, его коэффициент загрузки составляет 12/16 = 0,75. Высокий коэффициент нагрузки означает много столкновений, что, в свою очередь, означает, что размер карты должен быть изменен до следующей степени двух. Таким образом, аргументloadFactor - это максимальное значение коэффициента загрузки карты. Когда карта достигает этого коэффициента загрузки, она изменяет свой внутренний массив до следующего значения степени двойки.

initialCapacity по умолчанию равен 16, а loadFactor - 0,75 по умолчанию, поэтому вы можете поместить 12 элементов вHashMap, экземпляр которого был создан с помощью конструктора по умолчанию, и он не будет изменять размер. То же самое касаетсяHashSet, который поддерживается экземпляромHashMap внутри.

Следовательно, нетривиально найтиinitialCapacity, который удовлетворит ваши потребности. Вот почему в библиотеке Guava есть методыMaps.newHashMapWithExpectedSize() иSets.newHashSetWithExpectedSize(), которые позволяют создаватьHashMap илиHashSet, которые могут содержать ожидаемое количество элементов без изменения размера.

===

EnumSet иEnumMap являются специальными реализациями интерфейсовSet иMap соответственно. Вы всегда должны использовать эти реализации, когда имеете дело с перечислениями, потому что они очень эффективны.

EnumSet - это просто битовый вектор с «единицами» в позициях, соответствующих порядковым значениям перечислений, присутствующих в наборе. Чтобы проверить, находится ли значение перечисления в наборе, реализация просто должна проверить, является ли соответствующий бит в векторе «единица», что является очень простой операцией. Точно так жеEnumMap - это массив, доступ к которому осуществляется с помощью порядкового номера enum в качестве индекса. В случаеEnumMap нет необходимости вычислять хэш-коды или разрешать конфликты.

Итераторы для разных коллекций являются либо отказоустойчивыми, либо отказоустойчивыми, в зависимости от того, как они реагируют на одновременные изменения. Параллельная модификация - это не только модификация коллекции из другого потока, но также модификация из того же потока, но с использованием другого итератора или непосредственного изменения коллекции.

ИтераторыFail-fast (возвращаемыеHashMap,ArrayList и другими небезопасными коллекциями) перебирают внутреннюю структуру данных коллекции и бросаютConcurrentModificationException, как только они обнаруживают одновременную модификацию.

ИтераторыFail-safe (возвращаемые потокобезопасными коллекциями, такими какConcurrentHashMap,CopyOnWriteArrayList) создают копию структуры, по которой они итерируют. Они гарантируют безопасность от одновременных модификаций. Их недостатки включают в себя чрезмерное потребление памяти и итерацию, возможно, устаревших данных в случае изменения коллекции.

ИнтерфейсComparable - это интерфейс для объектов, которые можно сравнивать в определенном порядке. Его единственный метод -compareTo, который работает с двумя значениями: самим объектом и объектом аргумента того же типа. Например,Integer,Long и другие числовые типы реализуют этот интерфейс. String также реализует этот интерфейс, а его методcompareTo сравнивает строки в лексикографическом порядке.

ИнтерфейсComparable позволяет сортировать списки соответствующих объектов с помощью методаCollections.sort() и поддерживать порядок итераций в коллекциях, реализующихSortedSet иSortedMap. Если ваши объекты могут быть отсортированы с использованием некоторой логики, они должны реализовывать интерфейсComparable.

ИнтерфейсComparable обычно реализуется с использованием естественного порядка элементов. Например, все числаInteger отсортированы от меньшего к большему. Но иногда вы можете захотеть реализовать другой вид упорядочения, например, для сортировки чисел в порядке убывания. Здесь может помочь интерфейсComparator.

Класс объектов, которые вы хотите отсортировать, не должен реализовывать этот интерфейс. Вы просто создаете реализующий класс и определяете методcompare, который получает два объекта и решает, как их упорядочить. Затем вы можете использовать экземпляр этого класса, чтобы переопределить естественный порядок методаCollections.sort() или экземпляровSortedSet иSortedMap.

Поскольку интерфейсComparator является функциональным интерфейсом, вы можете заменить его лямбда-выражением, как в следующем примере. Он показывает упорядочивание списка с использованием естественного упорядочения (интерфейсInteger ’sComparable) и с использованием настраиваемого итератора (интерфейсComparator<Integer>).