大话JDK之数据结构和算法

Posted 2021-04-12 码农私房菜

不像C C++工程师，Java工程师对数据结构算法的感情可能没那么深，这要归功于JDK封装得漂亮呀。集合框架两大块，Collection和Map，Collection下是List、Set、Queue三大接口。又封装了Collections、Arrays等工具类。太特么友好了。

今天就来拆解一下JDK中的数据结构和算法实现。

动态数组

在封装的集合里面，用到数组基本上就都是动态数组。数组和链表作为计算机底层存储数据的两个最大载体，数组以O(1)效率寻址而被广泛使用=。=

ArrayList，内部是动态数组，初始化容量是10，扩容为原容量1.5倍。这是Java中最常用的数据结构了，但是线程不安全。线程安全的动态数组是Vector，使用synchronized实现线程安全。当然也可以用Collections.synchronizedList方法包装一下，也是线程安全的。不过synchronized的性能可能不是最好的。对于并发动态数组，JDK中还提供了CopyOnWriteArrayList，读写分离的思想，或者说是一种“不变模式”面对并发，要修改的时候，不修改原来的数组，而是复制一份修改复制出来的数组，修改完之后再改一下引用，比较巧妙地避开了锁的使用。适用于读多写少的场景，读读，读写都可以并行。缺点是弱一致性。

HashMap，底层也使用了数组，不管是数组+链表还是数组+链表+红黑树，数组才是HashMap高效率的根本原因。

ArrayDeque，用循环数组实现的双端队列，可以当栈使用，不常用。

PriorityQueue，这也是堆的实现，这个特殊的二叉树，因为元素之间特殊的关系，而用数组表示。具体下面再讲。

双向链表

LinkedList，比较常用的数据结构，特点是按需分配空间不需要多分配也不需要扩容，优缺点基本上和数组对立。Java中基本上带有linked的都使用双向链表实现的。例如还有LinkedHashMap，LinkedHashSet，ConcurrentLinkedQueue等。

队列

Queue这个接口的实现，都是队列。

实现类相当多，文档上来看，有这么些。

 ArrayBlockingQueue ， ArrayDeque ， ConcurrentLinkedDeque ， ConcurrentLinkedQueue ， DelayQueue ， LinkedBlockingDeque ， LinkedBlockingQueue ， LinkedList ， LinkedTransferQueue ， PriorityBlockingQueue ， PriorityQueue ， SynchronousQueue

高富帅队列里分为两大块，

• 阻塞队列，用ReentrantLock实现的。LinkedBlockingQueue ArrayBlockingQueue PriorityBlockingQueue DelayQueue

• 非阻塞队列，用CAS实现。 ConcurrentLinkedQueue LinkedTransferQueue

  
  

屌丝队列就是，LinkedList ArrayDeque这种...

栈

Stack，就是栈，他没有子类了。

Java中Deque这个接口以及他的子类，也是LIFO操作的。例如上面提到的ArrayDeque，的确既可以先进先出也可以后进先出，实现了多个接口当然就支持多种结构。看右下角实现的接口。

哈希表

HashMap，HashSet，LinkedHashMap，以及并发的容器，ConcurrentHashMap等。这个家族，以后再“细说”。

跳跃表

ConcurrentSkipListMap，在链表的基础上加了多层索引结构，有序、无锁并发容器。

红黑树

JDK中带有Tree的都是红黑树实现的，TreeMap、TreeSet、。红黑树是一种非绝对平衡的二叉树，要理解红黑树的话，最好是先理解一下二三树，二三树是绝对平衡的树，稍微转变一下就成了红黑树了。

堆

PriorityQueue，逻辑上是树，物理存储结构是动态数组。

循环数组

ArrayDeque，循环数组，专门维护了头尾变量，使得队列操作非常高效。

位向量

EnumSet，BitSet都是位向量的实现，非常高效。

算法：

二分查找

Collections.binarySearch()

对于实现了随机读取接口的数组类List还判断了一下，采取不同策略。一个用get(i)一个用Iterator方式。

排序-插入、堆、快排、归并

排序的策略一直在变化(优化)，以JDK1.8为例哈。

相关类和方法，

• Arrays.sort()系列重载方法。首先是一发判断，如果配置了要使用传统的归并排序，则使用归并排序，否则使用ComparableTimSort。具体归并的逻辑是如果长度小于7，就使用插入排序，否则使用归并。

  
  

  

• ComparableTimSort，这是对归并排序的一种优化，效率更高更稳定。

• DualPivotQuicksort，非常高端的优化版的快排。这两个都需要以后“细说”
  

哈希算法

好的哈希算法，分散而单调。以String和HashMap中哈希算法为例。好像我也无能为力评判这两个哈希算法=。=

public int hashCode() {
    int h = hash;
    if (h == 0 && value.length > 0) {
        char val[] = value;
        for (int i = 0; i < value.length; i++) {
            h = 31 * h + val[i];
        }
        hash = h;
    }
    return h;
}

LRU

这是缓存淘汰用的算法，核心原理是认为经常使用的数据下次使用的概率会高很多。所以缓存被使用了就放链表前面，缓存空间不够了就从尾部删除数据。

LinkedHashMap就是顺序存储元素，也可以通过构造函数开启按照顺序访问元素，即实现了LRU。