圖解Java常用數據結構

作者：大道方圓
來源：http://www.cnblogs.com/xdecode/p/9321848.html
 

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：

1. LinkedList

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。

if (index < (size >> 1)) {
 Node x = first;
 for (int i = 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)

2. ArrayList

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。

3. Stack

Stack是經典的數據結構，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()

4. 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

5. 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。

生產消費者中常用的阻塞有界隊列，FIFO。

put(E)

put(E) 隊列滿了

final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lockInterruptibly();
try { 

 while (count == items.length)
 notFull.await();
 enqueue(e);
} finally {
 lock.unlock();
}

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 }

6. 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。dk8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 loHead = null, loTail = null;
4 //原來的hash值新增的bit為1的鏈，頭部和尾部
5 Node hiHead = null, hiTail = null;
6 Node next;
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 }

7. 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

（完）

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