Java數據結構解析

前不久面試官讓我說一下怎麼理解java數據結構框架，之前也看過部分源碼，balabala講了一堆，現在總結一下。

java.util包中三個重要的接口及特點：List（列表）、Set（保證集合中元素唯一）、Map（維護多個key-value鍵值對，保證key唯一）。其不同子類的實現各有差異，如是否同步（線程安全）、是否有序。
常用類繼承樹：

以下結合源碼講解常用類實現原理及相互之間的差異。

Collection （所有集合類的接口）
List、Set都繼承自Collection接口，查看JDK API，操作集合常用的方法大部分在該接口中定義了。

Collections （操作集合的工具類）
對於集合類的操作不得不提到工具類Collections，它提供了許多方便的方法，如求兩個集合的差集、並集、拷貝、排序等等。
由於大部分的集合接口實現類都是不同步的，可以使用Collections.synchronized*方法創建同步的集合類對象。
如創建一個同步的List：
List synList = Collections.synchronizedList(new ArrayList());
其實現原理就是重新封裝new出來的對象，操作對象時用關鍵字synchronized同步。看源碼很容易理解。
Collections部分源碼：

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<code class="language-java hljs ">//Collections.synchronizedList返回的是靜態類SynchronizedCollection的實例，最終將new出來的ArrayList對象賦值給了Collection<e> c。 static class SynchronizedCollection<e> implements Collection<e>, Serializable {           final Collection<e> c;  // Backing Collection         final Object mutex;     // Object on which to synchronize           SynchronizedCollection(Collection<e> c) {             if (c==null)                 throw new NullPointerException();             this.c = c;             mutex = this;         }         //...         public boolean add(E e) {             //操作集合時簡單調用原本的ArrayList對象，只是做了同步             synchronized (mutex) {return c.add(e);}         }         //... }</e></e></e></e></e></code>

List （列表）

ArrayList、Vector是線性表，使用Object數組作爲容器去存儲數據的，添加了很多方法維護這個數組，使其容量可以動態增長，極大地提升了開發效率。它們明顯的區別是ArrayList是非同步的，Vector是同步的。不用考慮多線程時應使用ArrayList來提升效率。
ArrayList、Vector 部分源碼：

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<code class="language-java hljs ">//ArrayList.add public boolean add(E e) {     ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!     //可以看出添加的對象放到elementData數組中去了     elementData[size++] = e;     return true; } //ArrayList.remove public E remove(int index) {     rangeCheck(index);       modCount++;     E oldValue = elementData(index);       int numMoved = size - index - 1;     if (numMoved > 0)         //移除元素時數組產生的空位由System.arraycopy方法將其後的所有元素往前移一位，System.arraycopy調用虛擬機提供的本地方法來提升效率         System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,                          numMoved);     elementData[--size] = null; // Let gc do its work       return oldValue; }   //Vector add方法上多了synchronized關鍵字 public synchronized boolean add(E e) {     modCount++;     ensureCapacityHelper(elementCount + 1);     elementData[elementCount++] = e;     return true; }</code>

LinkedList是鏈表，略懂數據結構就知道其實現原理了。鏈表隨機位置插入、刪除數據時比線性錶快，遍歷比線性錶慢。
雙向鏈表原理圖：

LinkedList部分源碼：

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<code class="language-java hljs ">//源碼很清晰地表達了原理圖 public class LinkedList<e> extends AbstractSequentialList<e> implements List<e>, Deque<e>, Cloneable, java.io.Serializable {     //頭尾節點     transient Node<e> first;     transient Node<e> last; } //節點類  private static class Node<e> {     //節點存儲的數據     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;     } }</e></e></e></e></e></e></e></e></e></e></e></code>

由此可根據實際情況來選擇使用ArrayList（非同步、非頻繁刪除時選擇）、Vector（需同步時選擇）、LinkedList（頻繁在任意位置插入、刪除時選擇）。

Map（存儲鍵值對，key唯一）

HashMap結構的實現原理是將put進來的key-value封裝成一個Entry對象存儲到一個Entry數組中，位置（數組下標）由key的哈希值與數組長度計算而來。如果數組當前下標已有值，則將數組當前下標的值指向新添加的Entry對象。
有點暈，看圖吧：

看完圖再看源碼，非常清晰，都不需要註釋。

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<code class="language-java hljs ">public class HashMap<k,v> extends AbstractMap<k,v> implements Map<k,v>, Cloneable, Serializable {     transient Entry<k,v>[] table;     public V put(K key, V value) {         if (key == null)             return putForNullKey(value);         int hash = hash(key);         int i = indexFor(hash, table.length);         //遍歷當前下標的Entry對象鏈，如果key已存在則替換         for (Entry<k,v> e = table[i]; e != null; e = e.next) {         Object k;         if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {             V oldValue = e.value;             e.value = value;             e.recordAccess(this);             return oldValue;         }     }        addEntry(hash, key, value, i);         return null;     } } static class Entry<k,v> implements Map.Entry<k,v> {     final K key;     V value;     Entry<k,v> next;     int hash; }</k,v></k,v></k,v></k,v></k,v></k,v></k,v></k,v></code>

TreeMap是由Entry對象爲節點組成的一顆紅黑樹，put到TreeMap的數據默認按key的自然順序排序，new TreeMap時傳入Comparator自定義排序。紅黑樹網上很多資料，我講不清，這裏就不介紹了。

Set（保證容器內元素唯一性）
之所以先講Map是因爲Set結構其實就是維護一個Map來存儲數據的，利用Map結構key值唯一性。
HashSet部分源碼：

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<code class="language-java hljs ">public class HashSet<e> extends AbstractSet<e> implements Set<e>, Cloneable, java.io.Serializable {          //無意義對象來作爲Map的value     private static final Object PRESENT = new Object();     public boolean add(E e) {         return map.put(e, PRESENT)==null;     } }</e></e></e></code>

HashSet、TreeSet分別默認維護一個HashMap、TreeMap