Java字符串与集合核心知识点大全
Java字符串与集合核心知识点大全
一、字符串：String、StringBuilder、StringBuffer
1.底层实现
String：Java 8及之前底层基于char[]字符数组实现，Java 9及之后优化为byte[]字节数组，通过编码标识区分字符编码，节省内存。String 被final修饰，数组引用不可修改，代表字符串不可变，每次字符串拼接、修改都会生成新的 String 对象。
StringBuilder / StringBuffer：底层均基于可变的动态字符数组（Java9+ byte[]），无 final 修饰，支持动态扩容。二者底层数组默认初始容量为16，修改字符串时不会创建新对象，直接操作底层数组。
2.线程安全
String：线程安全。对象不可变，多线程只读场景下不会产生并发修改问题。
StringBuffer：线程安全。几乎所有公有方法都被synchronized修饰，保证多线程环境下字符串操作的原子性，但是锁机制会带来性能损耗。
StringBuilder：线程不安全。方法无同步锁，多线程并发修改会出现数组覆盖、数据丢失等问题，仅适用于单线程场景。
3.性能对比
性能优先级：StringBuilder > StringBuffer > String
- String：频繁拼接、修改字符串时，大量创建临时对象，触发频繁GC，性能极差。仅适合字符串常量、少量只读场景。
- StringBuffer：同步锁带来额外开销，性能中等，适配多线程频繁修改字符串场景。
- StringBuilder：无锁设计，开销最小，单线程下字符串拼接、修改首选。
4.核心适用场景
- String：字符串极少修改、常量定义、参数匹配场景
- StringBuilder：单线程大量字符串拼接、格式化、动态组装场景
- StringBuffer：多线程环境下动态修改字符串场景
二、Collection单列集合体系
Collection 是单列集合根接口，核心子接口：List（有序可重复）、Set（无序不可重复）。
1. ArrayList
底层实现
基于动态可变Object数组实现，实现了 RandomAccess 接口，支持随机快速访问。空参构造初始化时，默认赋值空数组，首次添加元素时才初始化容量为16，实现懒加载优化内存。
扩容机制
- 触发条件：底层数组元素个数 == 数组容量
- 扩容规则：默认扩容为原容量的1.5倍（int oldCapacity + (oldCapacity >> 1)）
- 扩容流程：创建新数组 + 复制原数组元素（Arrays.copyOf）
线程安全
线程不安全。多线程同时 add、remove 时，会出现元素覆盖、数组越界、数据丢失问题，无任何同步机制。
性能特点
随机查询速度极快，尾部增删效率高；头部/中间增删效率低，需要移动大量元素。
2. LinkedList
底层实现
基于双向链表实现，内部定义 Node 节点类，存储元素、前驱节点、后继节点指针，无固定容量、无需扩容。不实现 RandomAccess 接口，不支持随机访问。
扩容机制
无数组结构，无需扩容，新增元素仅需要创建节点、修改指针指向。
线程安全
线程不安全，多线程并发修改会导致链表指针混乱、数据异常。
性能特点
随机查询效率极低（需要从头遍历链表）；任意位置增删效率极高，仅修改指针，无需移动元素。
3. HashSet
底层实现
底层基于HashMap实现，HashSet 的元素存储在 HashMap 的 key 位置，value 统一为固定常量 Object。依托 HashMap 的哈希机制实现元素无序、不可重复。
扩容机制
完全复用 HashMap 扩容规则：初始容量16，负载因子0.75，容量满时扩容为2倍。
线程安全
线程不安全，无同步机制，多线程并发添加元素可能导致数据覆盖、元素丢失。
去重原理
添加元素时，先调用hashCode()计算哈希值定位索引，若索引位置无元素则直接存入；若存在元素，再调用equals()对比内容，相同则覆盖，不同则链表挂载。
三、Map双列集合体系
Map 是双列集合根接口，存储 key-value 键值对，key 唯一、value 可重复，核心实现类：HashMap、TreeMap。
1. HashMap
底层实现（JDK1.8重点优化）
底层采用数组+链表+红黑树结构：数组为哈希桶，桶内元素较少时用单向链表，链表长度超过阈值且数组容量≥64时，链表转化为红黑树；元素减少时红黑树退化为链表。
扩容机制
- 初始容量：16，默认负载因子：0.75
- 扩容阈值：容量 × 负载因子（16×0.75=12），元素数量超过阈值触发扩容
- 扩容规则：容量扩容为原来的2倍
- 树化阈值：链表长度 >=8 且数组容量 >=64；退树阈值：红黑树节点数 <=6
线程安全
线程不安全。JDK1.7 多线程扩容会出现链表环、死循环、数据丢失；JDK1.8 优化了扩容逻辑，解决死循环问题，但仍存在数据覆盖、元素丢失的并发问题。
2. TreeMap
底层实现
底层基于红黑树实现，天然有序，可根据 key 的自然排序规则或自定义比较器排序。所有键值对存储在红黑树节点中，无数组、链表结构。
扩容机制
红黑树为动态树形结构，无扩容概念，新增元素通过红黑树的自平衡机制（变色、左旋、右旋）维持树平衡。
线程安全
线程不安全，无同步锁，多线程并发修改会破坏红黑树结构，导致数据异常。
核心特点
key 有序、可排序；查询、增删时间复杂度稳定 O(logn)，性能略低于 HashMap。
四、Collections工具类高级用法
Collections 是集合静态工具类，专门用于操作 Collection、Map 集合，提供大量静态工具方法，区别于 Collection 集合接口。
1.线程安全包装
通过静态方法将非线程安全集合转为同步集合，底层通过包装类 + synchronized 代码块实现同步：
- Collections.synchronizedList()：包装 ArrayList、LinkedList
- Collections.synchronizedMap()：包装 HashMap、TreeMap
- Collections.synchronizedSet()：包装 HashSet、TreeSet
缺点：粒度粗，所有方法共用一把锁，并发性能差，仅适用于低并发场景。
2.空集合安全创建
返回不可变空集合，避免空指针异常，无需手动判空，节省内存：Collections.emptyList()、emptyMap()、emptySet()。创建的空集合不可增删修改。
3.集合排序与最值
- sort(List list)：根据元素自然排序规则排序
- sort(List list, Comparator c)：自定义比较器排序，支持灵活排序规则
- max()/min()：获取集合最大、最小元素
4.不可变集合创建
unmodifiableList()/unmodifiableMap()/unmodifiableSet()：将普通集合转为只读不可变集合，禁止新增、删除、修改元素，修改会直接抛出 UnsupportedOperationException，常用于常量集合封装。
5.批量操作
- addAll(Collection c, T... elements)：批量向集合添加元素
- replaceAll()：批量替换集合指定元素
- frequency()：统计集合中指定元素出现次数
五、并发集合底层原理与应用
JUC 并发集合位于 java.util.concurrent 包，专为高并发场景设计，相比 Collections 包装集合，锁粒度更细、并发性能更高、线程安全。
1. ConcurrentHashMap
底层原理
JDK1.8 底层依旧是数组+链表+红黑树，摒弃分段锁，采用CAS + synchronized锁桶机制：仅锁定当前操作的哈希桶，而非整个集合，锁粒度极小。
核心特性
- key、value禁止为null，避免歧义；HashMap 支持 null 键值
- 并发安全，高并发读写性能优异
- 扩容机制与 HashMap 一致，支持并发扩容，多线程辅助迁移数据
应用场景
多线程环境下高频读写的键值对存储，是并发场景下 HashMap 的首选替代方案。
2. CopyOnWriteArrayList
底层原理
写时复制机制：底层基于数组实现，读操作无锁；写操作（add/set/remove）时，先复制一份新数组，在新数组上完成修改，修改完成后将原数组引用指向新数组。写操作使用 ReentrantLock 可重入锁保证线程安全。
核心特性
- 读写分离：读无锁、写有锁，读性能极高
- 数据最终一致性，非实时一致性：读操作读取的是修改前的旧数组快照
- 内存开销大，每次写操作都会复制数组
应用场景
读多写少的并发场景，如配置缓存、白名单、黑名单列表，不适合大量写入的场景。
3. BlockingQueue阻塞队列
底层原理
阻塞队列是线程安全的队列，基于ReentrantLock + Condition条件锁实现，核心特性：队列满时，写入线程阻塞；队列空时，读取线程阻塞，天然适配生产者消费者模型。
核心实现类与特性
- ArrayBlockingQueue：基于数组、有界阻塞队列，锁粒度粗，读写共用一把锁
- LinkedBlockingQueue：基于链表、默认无界（可指定容量），读写分离两把锁，并发性能更高，线程池默认队列
- SynchronousQueue：无容量队列，插入操作必须等待对应删除操作，一对一传递数据
应用场景
线程池任务队列、生产者消费者模式、流量削峰、异步任务缓冲等并发场景。