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制數據流轉過程.

主要基于jdk8, 可能會有些特性與jdk7之前不相同, 例如LinkedList LinkedHashMap中的雙向鏈表不再是回環的.

HashMap中的單鏈表是尾插, 而不是頭插入等等, 后文不再贅敘這些差異, 本文目錄結構如下:

LinkedList

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經典的雙鏈表結構, 適用于亂序插入, 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)

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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表.

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

靠隊尾

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get(index)

也是會先判斷index, 不過性能依然不好, 這也是為什么不推薦用for(int i = 0; i < lengh; i++)的方式遍歷linkedlist, 而是使用iterator的方式遍歷.

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remove(E)

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ArrayList

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底層就是一個數組, 因此按序查找快, 亂序插入, 刪除因為涉及到后面元素移位所以性能慢.

add(index, E)

擴容

一般默認容量是10, 擴容后, 會length*1.5.

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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.

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Stack

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經典的數據結構, 底層也是數組, 繼承自Vector, 先進后出FILO, 默認new Stack()容量為10, 超出自動擴容.

push(E)

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pop()

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后綴表達式

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后綴表達式, 再對后綴表達式進行計算.

中綴轉后綴

• 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，并將出棧的元素輸出，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)：彈出所有優先級大于或者等于該運算符的棧頂元素，然后將該運算符入棧
• 最終將棧中的元素依次出棧，輸出。

計算后綴表達

• 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, 并將結果入棧
• 重復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

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隊列

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與Stack的區別在于, 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)

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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();}

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take()

當元素被取出后, 并沒有對數組后面的元素位移, 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.

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;}

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HashMap

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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)

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put(K, V) 相同hash值

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resize 動態擴容

當map中元素超出設定的閾值后, 會進行resize (length * 2)操作, 擴容過程中對元素一通操作, 并放置到新的位置.

具體操作如下:

• 在jdk7中對所有元素直接rehash, 并放到新的位置.
• 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".

//定義兩條鏈//原來的hash值新增的bit為0的鏈，頭部和尾部Node<K,V> loHead = null, loTail = null;//原來的hash值新增的bit為1的鏈，頭部和尾部Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null;Node<K,V> next;//循環遍歷出鏈條鏈do {next = e.next;if ((e.hash & oldCap) == 0) {if (loTail == null)loHead = e;elseloTail.next = e;loTail = e;}else {if (hiTail == null)hiHead = e;elsehiTail.next = e;hiTail = e;}} while ((e = next) != null);//擴容前后位置不變的鏈if (loTail != null) {loTail.next = null;newTab[j] = loHead;}//擴容后位置加上原數組長度的鏈if (hiTail != null) {hiTail.next = null;newTab[j + oldCap] = hiHead;}

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LinkedHashMap

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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)

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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.

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removeEldestEntry 刪除最老的元素

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總結

以上是生活随笔為你收集整理的几张动态图捋清Java常用数据结构及其设计原理的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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