• 图解Java常用数据结构


    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.

    if(index<(size>>1))
        Node x = first;
        for (inti = 0; i < index; i++) {
            x = x.next;
        }
        return x;
    }else{
        Node x = last;
        for (int i = size - 1; i > index; i--) {
            x = x.prev;
        }
        return x;
    }
    

    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

    final ReentrantLocklock=this.lock;
    
    lock.lockInterruptibly();
    
    try{
    
      while(count == items.length)
    
      notFull.await();
    
      enqueue(e);
    
    }finally{
    
      lock.unlock();
    
    }
    

    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.

    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".

    // 定义两条链
    // 原来的 hash 值新增的 bit 为 0 的链,头部和尾部
    Node loHead =null, loTail =null;
    
    // 原来的 hash 值新增的 bit 为 1 的链,头部和尾部
    Node hiHead =null, hiTail =null;
    Node next;
    
    // 循环遍历出链条链
    
    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);
    
    // 扩容前后位置不变的链
    if(loTail !=null) {
        loTail.next =null;
        newTab[j] = loHead;
     }
    
    // 扩容后位置加上原数组长度的链
    if(hiTail !=null) {
        hiTail.next =null;
        newTab[j + oldCap] = hiHead;
     }
    

    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

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