深入Java集合：快速响应Goldman Sachs面试官的技巧

# 1. Java集合框架概述

在Java编程语言中，集合框架是一组允许程序员以一致的方式操作一组对象的接口和类。本章节将简要介绍Java集合框架的基本概念、核心接口以及它们的用途。

Java集合框架主要包含两个根接口：Collection和Map。Collection接口是单列集合的根接口，包含List、Set等子接口，主要用于存储一系列的元素。Map接口是键值对集合的根接口，用于存储键（key）和值（value）的映射。

由于集合在内存中是动态分配的，它们提供了比数组更灵活的数据管理方式。在Java中，集合框架不仅提供了数据结构的实现，还提供了一些用于数据操作的算法，比如排序和搜索。这使得集合框架成为了处理数据集合的强大工具，从简单的数据存储到复杂的数据处理。

本章的目标是帮助读者建立对Java集合框架整体结构的理解，为进一步深入研究各个集合类的特性打下坚实的基础。

# 2. 核心集合接口与类的深入理解

## 2.1 List接口的实现细节

### 2.1.1 ArrayList的内部工作原理

`ArrayList` 是基于动态数组实现的，是 List 接口的主要实现类，支持对元素的随机访问。内部通过数组实现，它的容量会随着元素的增加而自动扩容。

public class ArrayList<E> extends AbstractList<E>
        implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable {
    private static final long serialVersionUID = ***L;
    private transient Object[] elementData;
    private int size;
    ...
}

上述代码中，`elementData` 是存储数据的数组，`size` 是当前列表的大小。当需要增加元素时，`ArrayList`会检查容量是否足够，如果不足，它会创建一个更大的数组（通常是原数组容量的1.5倍），并把原数组的内容复制到新数组中。

#### 动态数组扩容机制

对于扩容机制，`ArrayList` 默认扩容为原数组容量的1.5倍，可以通过 `Arrays.copyOf` 方法来复制数组。

public boolean add(E e) {
    ensureCapacityInternal(size + 1);  // 确保内部容量足以容纳额外的元素
    elementData[size++] = e;
    return true;
}

private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
    if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
        minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
    }

    ensureExplicitCapacity(minCapacity);
}

private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
    modCount++;

    // 如果当前容量不足以容纳至少 minCapacity 个元素，则调用 grow 方法增加容量
    if (minCapacity - elementData.length > 0)
        grow(minCapacity);
}

private void grow(int minCapacity) {
    // 扩容前的容量
    int oldCapacity = elementData.length;
    // 新容量为原来的1.5倍，同时至少为minCapacity
    int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
    if (newCapacity - minCapacity < 0)
        newCapacity = minCapacity;
    if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
        newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
    // 复制数组
    elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
}

### 2.1.2 LinkedList与双端队列（Deque）

`LinkedList` 不仅实现了 `List` 接口，还实现了 `Deque` 接口，因此它既可以作为链表使用，也可以作为队列使用。它由一系列节点构成，每个节点包含数据和指向下一节点的引用。

public class LinkedList<E>
    extends AbstractSequentialList<E>
    implements List<E>, Deque<E>, Cloneable, java.io.Serializable {
    private static final long serialVersionUID = ***L;
    transient Node<E> first;
    transient Node<E> last;
    ...
    private static class Node<E> {
        E item;
        Node<E> next;
        Node<E> prev;

        Node(Node<E> prev, E element, Node<E> next) {
            this.item = element;
            this.next = next;
            this.prev = prev;
        }
    }
}

`LinkedList` 使用双向链表实现，每个节点都包含数据和两个指向其他节点的引用，分别是前一个节点和下一个节点。其内部的节点插入和删除操作效率较高，因为它只需要调整相邻节点的指针即可。不过，与 `ArrayList` 相比，`LinkedList` 随机访问元素的效率较低，因为它需要从头开始遍历链表。

#### 双端队列（Deque）操作

`Deque` 是 "double ended queue" 的缩写，即双端队列。它允许我们从两端进行元素的添加、检索和删除操作。`LinkedList` 提供了这样的功能，并且具有以下特性：

- 从两端都能高效地进行插入和删除操作。
- 可以用于实现栈（Stack）、队列（Queue）等数据结构。

// 将元素添加到队列末尾
public boolean offer(E e) {
    return add(e);
}

// 将元素添加到队列头部
public boolean offerFirst(E e) {
    addFirst(e);
    return true;
}

// 将元素添加到队列尾部
public boolean offerLast(E e) {
    addLast(e);
    return true;
}

// 从队列头部移除元素
public E remove() {
    return removeFirst();
}

// 从队列尾部获取并移除元素
public E poll() {
    final Node<E> f = first