圖解Java常用數據結構(一)
最近在整理數據結構方面的知識, 系統化看了下Java中常用數據結構, 突發奇想用動畫來繪製數據流轉過程.
主要基於jdk8, 可能會有些特性與jdk7之前不相同, 例如LinkedList LinkedHashMap中的雙向列表不再是迴環的.
HashMap中的單鏈表是尾插, 而不是頭插入等等, 後文不再贅敘這些差異, 本文目錄結構如下:
LinkedList
經典的雙鏈表結構, 適用於亂序插入, 刪除. 指定序列操作則性能不如ArrayList, 這也是其數據結構決定的.
add(E) / addLast(E)
add(index, E)
這邊有個小的優化, 他會先判斷index是靠近隊頭還是隊尾, 來確定從哪個方向遍歷鏈入.
if (index < (size >> 1)) {
Node<E> x = first;
for (int i = 0; i < index; i++)
x = x.next;
return x;
} else {
Node<E> x = last;
for (int i = size - 1; i > index; i--)
x = x.prev;
return x;
}
靠隊尾
get(index)
也是會先判斷index, 不過性能依然不好, 這也是爲什麼不推薦用for(int i = 0; i < lengh; i++)的方式遍歷linkedlist, 而是使用iterator的方式遍歷.
remove(E)
ArrayList
底層就是一個數組, 因此按序查找快, 亂序插入, 刪除因爲涉及到後面元素移位所以性能慢.
add(index, E)
擴容
一般默認容量是10, 擴容後, 會length*1.5.
remove(E)
循環遍歷數組, 判斷E是否equals當前元素, 刪除性能不如LinkedList.
Stack
經典的數據結構, 底層也是數組, 繼承自Vector, 先進後出FILO, 默認new Stack()容量爲10, 超出自動擴容.
push(E)
pop()
後綴表達式
Stack的一個典型應用就是計算表達式如 9 + (3 - 1) * 3 + 10 / 2, 計算機將中綴表達式轉爲後綴表達式, 再對後綴表達式進行計算.
中綴轉後綴
數字直接輸出
棧爲空時，遇到運算符，直接入棧
遇到左括號, 將其入棧
遇到右括號, 執行出棧操作，並將出棧的元素輸出，直到彈出棧的是左括號，左括號不輸出。
遇到運算符(加減乘除)：彈出所有優先級大於或者等於該運算符的棧頂元素，然後將該運算符入棧
最終將棧中的元素依次出棧，輸出。
計算後綴表達
遇到數字時，將數字壓入堆棧
遇到運算符時，彈出棧頂的兩個數，用運算符對它們做相應的計算, 並將結果入棧
重複上述過程直到表達式最右端
運算得出的值即爲表達式的結果
隊列
與Stack的區別在於, Stack的刪除與添加都在隊尾進行, 而Queue刪除在隊頭, 添加在隊尾.
ArrayBlockingQueue
生產消費者中常用的阻塞有界隊列, FIFO.
put(E)
put(E) 隊列滿了
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lockInterruptibly();
try {
while (count == items.length)
notFull.await();
enqueue(e);
} finally {
lock.unlock();
}
take()
當元素被取出後, 並沒有對數組後面的元素位移, 而是更新takeIndex來指向下一個元素.
takeIndex是一個環形的增長, 當移動到隊列尾部時, 會指向0, 再次循環.
private E dequeue() {
// assert lock.getHoldCount() == 1;
// assert items[takeIndex] != null;
final Object[] items = this.items;
@SuppressWarnings("unchecked")
E x = (E) items[takeIndex];
items[takeIndex] = null;
if (++takeIndex == items.length)
takeIndex = 0;
count--;
if (itrs != null)
itrs.elementDequeued();
notFull.signal();
return x;
}
HashMap
最常用的哈希表, 面試的童鞋必備知識了, 內部通過數組 + 單鏈表的方式實現. jdk8中引入了紅黑樹對長度 > 8的鏈表進行優化, 我們另外篇幅再講.
put(K, V)
put(K, V) 相同hash值
resize 動態擴容
當map中元素超出設定的閾值後, 會進行resize (length * 2)操作, 擴容過程中對元素一通操作, 並放置到新的位置.
具體操作如下:
在jdk7中對所有元素直接rehash, 並放到新的位置.
在jdk8中判斷元素原hash值新增的bit位是0還是1, 0則索引不變, 1則索引變成"原索引 + oldTable.length".
//定義兩條鏈
//原來的hash值新增的bit爲0的鏈，頭部和尾部
Node<K,V> loHead = null, loTail = null;
//原來的hash值新增的bit爲1的鏈，頭部和尾部
Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null;
Node<K,V> next;
//循環遍歷出鏈條鏈
do {
next = e.next;
if ((e.hash & oldCap) == 0) {
if (loTail == null)
loHead = e;
else
loTail.next = e;
loTail = e;
}
else {
if (hiTail == null)
hiHead = e;
else
hiTail.next = e;
hiTail = e;
}
} while ((e = next) != null);
//擴容前後位置不變的鏈
if (loTail != null) {
loTail.next = null;
newTab[j] = loHead;
}
//擴容後位置加上原數組長度的鏈
if (hiTail != null) {
hiTail.next = null;
newTab[j + oldCap] = hiHead;
}
LinkedHashMap
繼承自HashMap, 底層額外維護了一個雙向鏈表來維持數據有序. 可以通過設置accessOrder來實現FIFO(插入有序)或者LRU(訪問有序)緩存.
put(K, V)
get(K)
accessOrder爲false的時候, 直接返回元素就行了, 不需要調整位置.
accessOrder爲true的時候, 需要將最近訪問的元素, 放置到隊尾.
removeEldestEntry 刪除最老的元素
