几张动态图捋清Java常用数据结构及其设计原理

Posted 2021-04-12 悦码

最近在整理数据结构方面的知识, 系统化看了下Java中常用数据结构, 突发奇想用动画来绘制数据流转过程.

主要基于jdk8, 可能会有些特性与jdk7之前不相同, 例如LinkedList LinkedHashMap中的双向列表不再是回环的.

HashMap中的单链表是尾插, 而不是头插入等等, 后文不再赘叙这些差异, 本文目录结构如下:

LinkedList

经典的双链表结构, 适用于乱序插入, 删除. 指定序列操作则性能不如ArrayList, 这也是其数据结构决定的.

add(E) / addLast(E)

add(index, E)

这边有个小的优化, 他会先判断index是靠近队头还是队尾, 来确定从哪个方向遍历链入.

1 if (index < (size >> 1)) {

2 Node<E> x = first;

3 for (int i = 0; i < index; i++)

4 x = x.next;

5 return x;

6 } else {

7 Node<E> x = last;

8 for (int i = size - 1; i > index; i--)

9 x = x.prev;

10 return x;

11 }

靠队尾

get(index)

也是会先判断index, 不过性能依然不好, 这也是为什么不推荐用for(int i = 0; i < lengh; i++)的方式遍历linkedlist, 而是使用iterator的方式遍历.

remove(E)

ArrayList

底层就是一个数组, 因此按序查找快, 乱序插入, 删除因为涉及到后面元素移位所以性能慢.

add(index, E)

扩容

一般默认容量是10, 扩容后, 会length*1.5.

remove(E)

循环遍历数组, 判断E是否equals当前元素, 删除性能不如LinkedList.

Stack

经典的数据结构, 底层也是数组, 继承自Vector, 先进后出FILO, 默认new Stack()容量为10, 超出自动扩容.

push(E)

pop()

后缀表达式

Stack的一个典型应用就是计算表达式如 9 + (3 - 1) * 3 + 10 / 2, 计算机将中缀表达式转为后缀表达式, 再对后缀表达式进行计算.

中缀转后缀

• 数字直接输出

• 栈为空时，遇到运算符，直接入栈

• 遇到左括号, 将其入栈

• 遇到右括号, 执行出栈操作，并将出栈的元素输出，直到弹出栈的是左括号，左括号不输出。

• 遇到运算符(加减乘除)：弹出所有优先级大于或者等于该运算符的栈顶元素，然后将该运算符入栈

• 最终将栈中的元素依次出栈，输出。

计算后缀表达

• 遇到数字时，将数字压入堆栈

• 遇到运算符时，弹出栈顶的两个数，用运算符对它们做相应的计算, 并将结果入栈

• 重复上述过程直到表达式最右端

• 运算得出的值即为表达式的结果

队列

与Stack的区别在于, Stack的删除与添加都在队尾进行, 而Queue删除在队头, 添加在队尾.

ArrayBlockingQueue

生产消费者中常用的阻塞有界队列, FIFO.

put(E)

put(E) 队列满了

1 final ReentrantLock lock = this.lock;

2 lock.lockInterruptibly();

3 try {

4 while (count == items.length)

5 notFull.await();

6 enqueue(e);

7 } finally {

8 lock.unlock();

9 }

take()

当元素被取出后, 并没有对数组后面的元素位移, 而是更新takeIndex来指向下一个元素.

takeIndex是一个环形的增长, 当移动到队列尾部时, 会指向0, 再次循环.

1 private E dequeue() {

2 // assert lock.getHoldCount() == 1;

3 // assert items[takeIndex] != null;

4 final Object[] items = this.items;

5 @SuppressWarnings("unchecked")

6 E x = (E) items[takeIndex];

7 items[takeIndex] = null;

8 if (++takeIndex == items.length)

9 takeIndex = 0;

10 count--;

11 if (itrs != null)

12 itrs.elementDequeued();

13 notFull.signal();

14 return x;

15 }

HashMap

最常用的哈希表, 面试的童鞋必备知识了, 内部通过数组 + 单链表的方式实现. jdk8中引入了红黑树对长度 > 8的链表进行优化, 我们另外篇幅再讲.

put(K, V)

put(K, V) 相同hash值

resize 动态扩容

当map中元素超出设定的阈值后, 会进行resize (length * 2)操作, 扩容过程中对元素一通操作, 并放置到新的位置.

具体操作如下:

• 在jdk7中对所有元素直接rehash, 并放到新的位置.

• 在jdk8中判断元素原hash值新增的bit位是0还是1, 0则索引不变, 1则索引变成"原索引 + oldTable.length".

1 //定义两条链

2 //原来的hash值新增的bit为0的链，头部和尾部

3 Node<K,V> loHead = null, loTail = null;

4 //原来的hash值新增的bit为1的链，头部和尾部

5 Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null;

6 Node<K,V> next;

7 //循环遍历出链条链

8 do {

9 next = e.next;

10 if ((e.hash & oldCap) == 0) {

11 if (loTail == null)

12 loHead = e;

13 else

14 loTail.next = e;

15 loTail = e;

16 }

17 else {

18 if (hiTail == null)

19 hiHead = e;

20 else

21 hiTail.next = e;

22 hiTail = e;

23 }

24 } while ((e = next) != null);

25 //扩容前后位置不变的链

26 if (loTail != null) {

27 loTail.next = null;

28 newTab[j] = loHead;

29 }

30 //扩容后位置加上原数组长度的链

31 if (hiTail != null) {

32 hiTail.next = null;

33 newTab[j + oldCap] = hiHead;

34 }

LinkedHashMap

继承自HashMap, 底层额外维护了一个双向链表来维持数据有序. 可以通过设置accessOrder来实现FIFO(插入有序)或者LRU(访问有序)缓存.

put(K, V)

get(K)

accessOrder为false的时候, 直接返回元素就行了, 不需要调整位置.

accessOrder为true的时候, 需要将最近访问的元素, 放置到队尾.

removeEldestEntry 删除最老的元素