java複習第4天---4.1---集合---數據結構和集合框架結構

java複習第4天---4.1---集合---數據結構和集合框架結構

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目錄

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內容

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1、數據結構

  程序 = 數據 + 算法 。其中數據設計數據類型及數據的組織存儲，既數據結構。這裏只簡單介紹下常用的數據結構，詳細可以自行查閱

1.1、 數組

  內存空間中分配的連續的空間地址

• 特點：有序可重複，通過數組下標訪問對應的元素

• 優點：

  • 查詢效率高
  • 數組遍歷快

• 缺點

  • 數組大小固定後，無法擴容
  • 增刪效率低：底層通過System.arrayCopy實現數組複製實現增減
  • 只能存儲同一種類型的數據元素

• 示例：

    int[] arr = {1, 3, 5 ,7};
    查看第二個元素：arr[1]
  

1.2、 鏈表

• 簡介：鏈表是物理存儲單元上非連續的、非順序的存儲結構，數據元素的邏輯順序是通過鏈表的指針地址實現，每個元素包含兩個結點，一個是存儲元素的數據域 (內存空間)，另一個是指向下一個結點地址的指針域。根據指針的指向，鏈表能形成不同的結構，例如單鏈表，雙向鏈表，循環鏈表等。
• 特點：有序可重複，通過鏈表指針移動訪問對應的元素
• 優點：
  • 增刪效率高：只需要改變前後元素的指針指向
• 缺點：
  • 查詢效率低：地址非連續，通過存儲的地址值，移動指針查找元素

1.3、 棧

• 簡介：棧是一種特殊的線性表，僅能在線性表的一端操作，棧頂允許操作，棧底不允許操作。
• 特點：先進後出，或者說是後進先出，從棧頂放入元素的操作叫入棧，取出元素叫出棧。
• 適用場景：實現遞歸功能方面的場景，例如斐波那契數列
• 圖示1.3-1：

1.4、隊列

• 簡介：棧也是一種特殊的線性表，需要在線性表的二端操作，一端寫入，一端讀出。
• 特點：先進先出
• 使用場景：在多線程阻塞隊列管理中非常適用。
  +圖示1.4-1：

1.5、樹

• 簡介：樹是一種數據結構，它是由n（n>=1）個有限節點組成一個具有層次關係的集合。把它叫做 “樹” 是因爲它看起來像一棵倒掛的樹，也就是說它是根朝上，而葉朝下的。它具有以下的特點：
• 特點
  • 每個節點有零個或多個子節點；
  • 沒有父節點的節點稱爲根節點；
  • 每一個非根節點有且只有一個父節點；
  • 除了根節點外，每個子節點可以分爲多個不相交的子樹；

  在日常的應用中，我們討論和用的更多的是樹的其中一種結構，就是二叉樹。

二叉樹是樹的特殊一種，具有如下特點：

1. 每個結點最多有兩顆子樹，結點的度最大爲2。
2. 左子樹和右子樹是有順序的，次序不能顛倒。
3. 即使某結點只有一個子樹，也要區分左右子樹。

  二叉樹是一種比較有用的折中方案，它添加，刪除元素都很快，並且在查找方面也有很多的算法優化，所以，二叉樹既有鏈表的好處，也有數組的好處，是兩者的優化方案，在處理大批量的動態數據方面非常有用。

• 擴展：
  二叉樹有很多擴展的數據結構，包括平衡二叉樹、紅黑樹、B+樹等，這些數據結構二叉樹的基礎上衍生了很多的功能，在實際應用中廣泛用到，例如mysql的數據庫索引結構用的就是B+樹，還有HashMap的底層源碼中用到了紅黑樹。這些二叉樹的功能強大，但算法上比較複雜，想學習的話還是需要花時間去深入的。

1.6、 散列表

• 簡介：散列表，也叫哈希表，是根據關鍵碼和值 (key和value) 直接進行訪問的數據結構，通過key和value來映射到集合中的一個位置，這樣就可以很快找到集合中的對應元素。

• 算法：
  記錄的存儲位置=f(key)
  這裏的對應關係 f 稱爲散列函數，又稱爲哈希 (hash函數)，而散列表就是把Key通過一個固定的算法函數既所謂的哈希函數轉換成一個整型數字，然後就將該數字對數組長度進行取餘，取餘結果就當作數組的下標，將value存儲在以該數字爲下標的數組空間裏，這種存儲空間可以充分利用數組的查找優勢來查找元素，所以查找的速度很快。

• JDK1.8前後存儲變化

  • JDK1.8之前：

  • JDK1.8之後：

  • 解析：從圖中可以看出，左邊很明顯是個數組，數組的每個成員包括一個指針，指向一個鏈表的頭，當然這個鏈表可能爲空，也可能元素很多。我們根據元素的一些特徵把元素分配到不同的鏈表中去，也是根據這些特徵，找到正確的鏈表，再從鏈表中找出這個元素。

• 應用：

  • 哈希表在應用中也是比較常見的，就如Java中有些集合類就是借鑑了哈希原理構造的，例如HashMap，HashTable等，利用hash表的優勢，對於集合的查找元素時非常方便的，然而，因爲哈希表是基於數組衍生的數據結構，在添加刪除元素方面是比較慢的，所以很多時候需要用到一種數組鏈表來做，也就是拉鍊法。拉鍊法是數組結合鏈表的一種結構，較早前的hashMap底層的存儲就是採用這種結構，直到jdk1.8之後才換成了數組加紅黑樹的結構，其示例圖如上：
  • 哈希表的應用場景很多，當然也有很多問題要考慮，比如哈希衝突的問題，如果處理的不好會浪費大量的時間，導致應用崩潰。

1.7、 堆

  堆是一種比較特殊的數據結構，可以被看做一棵樹的數組對象，具有以下的性質：

• 堆中某個節點的值總是不大於或不小於其父節點的值；

• 堆總是一棵完全二叉樹。

   將根節點最大的堆叫做最大堆或大根堆，根節點最小的堆叫做最小堆或小根堆。常見的堆有二叉堆、斐波那契堆等。

堆的定義如下：

n個元素的序列{k1,k2,ki,…,kn}當且僅當滿足下關係時，稱之爲堆。(ki <= k2i,ki <= k2i+1)或者(ki >= k2i,ki >= k2i+1), (i = 1,2,3,4…n/2)，滿足前者的表達式的成爲小頂堆，滿足後者表達式的爲大頂堆，這兩者的結構圖可以用完全二叉樹排列出來，示例圖如下：

• 適用場景：因爲堆有序的特點，一般用來做數組中的排序，稱爲堆排序。

1.8、 圖

  圖是由結點的有窮集合V和邊的集合E組成。其中，爲了與樹形結構加以區別，在圖結構中常常將結點稱爲頂點，邊是頂點的有序偶對，若兩個頂點之間存在一條邊，就表示這兩個頂點具有相鄰關係。

  按照頂點指向的方向可分爲無向圖和有向圖：

  圖是一種比較複雜的數據結構，在存儲數據上有着比較複雜和高效的算法，分別有鄰接矩陣 、鄰接表、十字鏈表、鄰接多重表、邊集數組等存儲結構，這裏不做展開，讀者有興趣可以自己學習深入。

2、集合框架

  Java中的集合包含多種數據結構，如鏈表、隊列、哈希表等。從類的繼承結構來說，可以分爲兩大類，一類是繼承自Collection接口，這類集合包含List、Set和Queue等集合類。另一類是繼承自Map接口，這主要包含了哈希表相關的集合類。下面我們看一下這兩大類的繼承結構圖：

2.1、 Collection接口

圖中的綠色的虛線代表實現，綠色實線代表接口之間的繼承，藍色實線代表類之間的繼承。

2.1.1、List

  列表接口，元素有序，可重複。常用實現類ArrayList和LinkedList.

• ArrayList：底層實現爲數組，查詢效率高，增刪慢
• LinkedList：底層實現爲鏈表，增刪快，查詢慢

2.1.2、Set

  不包含重複元素的集合。 更正式地，集合不包含一對元素e1和e2 ，使得e1.equals(e2) ，並且最多一個空元素。 正如其名稱所暗示的那樣，這個接口模擬了數學集抽象。常用實現類HashSet,TreeSet.

• HashSet:底層爲哈希表實現
• TreeSet:底層樹結構實現,元素經過排序後存儲

2.1.3、Queue

  一般可以直接使用LinkedList完成，從上述類圖也可以看出，LinkedList繼承自Deque，所以LinkedList具有雙端隊列的功能。PriorityQueue的特點是爲每個元素提供一個優先級，優先級高的元素會優先出隊列

2.1.4、Iterable

  從這個圖裏面可以看到Collection類繼承自Iterable，該接口的作用是提供元素遍歷的功能，也就是說所有的集合類（除Map相關的類）都提供元素遍歷的功能。Iterable裏面包含了Iterator的迭代器，其源碼如下，大家如果熟悉迭代器模式的話，應該很容易理解。

public interface Iterator<E> {

boolean hasNext(); // 判斷是否有下一個元素

E next(); // 獲取元素

void remove(); // 移除元素

}

2.2、 Map接口

   Map類型的集合最大的優點在於其查找效率比較高，理想情況下可以實現O(1)的時間複雜度。Map中最常用的是HashMap，LinkedHashMap與HashMap的區別在於前者能夠保證插入集合的元素順序與輸出順序一致。這兩者與TreeMap的區別在於TreeMap是根據鍵值進行排序的，當然其底層的實現也有本質的區別，如HashMap底層是一個哈希表，而TreeMap的底層數據結構是一棵樹。我們現在看下TreeMap與LinkedHashMap的區別：

package com.paddx.test.collection;

import java.util.Iterator;
import java.util.LinkedHashMap;
import java.util.Map;
import java.util.TreeMap;

public class MapTest {
	public static void main(String[] args) {
		Map<String,String> treeMap = new TreeMap<String,String>();
		Map<String,String> linkedMap = new LinkedHashMap<String, String>();

		treeMap.put("b",null);
		treeMap.put("c",null);
		treeMap.put("a",null);

		for (Iterator<String> iter = treeMap.keySet().iterator();iter.hasNext();){
			System.out.println("TreeMap="+iter.next());
		}

		System.out.println("----------分割線---------");

		linkedMap.put("b",null);
		linkedMap.put("c",null);
		linkedMap.put("a",null);

		for (Iterator<String> iter = linkedMap.keySet().iterator();iter.hasNext();){
			System.out.println("LinkedHashMap="+iter.next());
		}
	}
}

運行上述代碼，執行結果如下：

TreeMap=a
TreeMap=b
TreeMap=c
----------分割線---------
LinkedHashMap=b
LinkedHashMap=c
LinkedHashMap=a

  從運行結果可以很明顯的看出這TreeMap和LinkedHashMap的區別，前者是按字符串排序進行輸出的，而後者是根據插入順序進行輸出的。細心的讀者可以發現，HashMap與TreeMap的區別，與之前提到的HashSet與TreeSet的區別是一致的，在後續進行源碼分析的時候，我們可以看到HashSet和TreeSet本質上分別是通過HashMap和TreeMap來實現的，所以它們的區別自然也是相同的。HashTable現在已經很少使用了，與HashMap的主要區別是HashTable是線程安全的，不過由於其效率比較低，所以通常使用HashMap，在多線程環境下，通常用CurrentHashMap來代替。

3、總結

  本文只是從整體上介紹了Java集合框架及其繼承關係。除了上述類，集合還提供Collections和Arrays兩個工具類，此外，集合中排序跟Comparable和Comparator緊密相關。在之後的文章中將對上述提的類在JDK中實現源碼進行詳細分析。

4、參考文章列表

• 地址1：https://blog.csdn.net/yeyazhishang/article/details/82353846
• 地址2：https://www.cnblogs.com/paddix/p/5539326.html

後記 ：

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