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.
1 if (index < (size >> 1)) {
2 Node
3 for (int i = 0; i < index; i++)
4 x = x.next;
5 return x;
6 } else {
7 Node
8 for (int i = size - 1; i > index; i--)
9 x = x.prev;
10 return x;
11 }
靠隊尾
get(index)
也是會先判斷index, 不過性能依然不好, 這也是為什麼不推薦用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, 刪除因為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()容量為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為後綴表達式, 再對後綴表達式進行計算.
中綴轉後綴
- 數字直接輸出
- 棧為空時，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
- 運算得出的值即為表達式的結果
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
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()
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.
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".
1 //定義兩條鏈
2 //原來的hash值新增的bit為0的鏈，頭部和尾部
3 Node
4 //原來的hash值新增的bit為1的鏈，頭部和尾部
5 Node
6 Node
7 //循環遍歷出鏈條鏈
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 //擴容前後位置不變的鏈
26 if (loTail != null) {
27 loTail.next = null;
28 newTab[j] = loHead;
29 }
30 //擴容後位置加上原數組長度的鏈
31 if (hiTail != null) {
32 hiTail.next = null;
33 newTab[j + oldCap] = hiHead;
34 }
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為false的時候, 直接返回元素就行了, 不需要調整位置.
accessOrder為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
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