圖解：Java 中的資料結構及原理

最近在整理資料結構方面的知識, 系統化看了下Java中常用資料結構, 突發奇想用動畫來繪製資料流轉過程。

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中的單連結串列是尾插, 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

經典的雙連結串列結構, 適用於亂序插入, 刪除. 指定序列操作則效能不如ArrayList, 這也是其資料結構決定的.

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.

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

2Node x = first;

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

4x = x.next;

5returnx;

6}else{

7Node x = last;

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

9x = x.prev;

10returnx;

11}

靠隊尾

get(index)

也是會先判斷index, 不過效能依然不好, 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

底層就是一個陣列, 因此按序查詢快, 亂序插入, 刪除因為涉及到後面元素移位所以效能慢.

add(index, E)

擴容

一般預設容量是10, 擴容後, 會length*1.5.

remove(E)

迴圈遍歷陣列, 判斷E是否equals當前元素, 刪除效能不如LinkedList.

Stack

經典的資料結構, 底層也是陣列, 繼承自Vector, 先進後出FILO, 預設new Stack()容量為10, 超出自動擴容.

push(E)

pop()

字尾表示式

Stack的一個典型應用就是計算表示式如 9 + (3 - 1) * 3 + 10 / 2, 計算機將中綴表示式轉為字尾表示式, 再對字尾表示式進行計算。

中綴轉字尾

數字直接輸出

棧為空時，遇到運算子，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。

遇到運算子(加減乘除)：彈出所有優先順序大於或者等於該運算子的棧頂元素，然後將該運算子入棧

最終將棧中的元素依次出棧，輸出。

計算字尾表達

遇到數字時，將數字壓入堆疊

遇到運算子時，彈出棧頂的兩個數，用運算子對它們做相應的計算, 並將結果入棧

重複上述過程直到表示式最右端

運算得出的值即為表示式的結果

佇列

與Stack的區別在於, Stack的刪除與新增都在隊尾進行, 而Queue刪除在隊頭, 新增在隊尾.

ArrayBlockingQueue

生產消費者中常用的阻塞有界佇列, FIFO.

put(E)

put(E) 佇列滿了

1final ReentrantLocklock=this.lock;

2lock.lockInterruptibly();

3try{

4while(count == items.length)

5notFull.await();

6enqueue(e);

7}finally{

8lock.unlock();

9}

take()

當元素被取出後, 並沒有對陣列後面的元素位移, 而是更新takeIndex來指向下一個元素.

takeIndex是一個環形的增長, 當移動到佇列尾部時, 會指向0, 再次迴圈.

1privateEdequeue(){

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

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

4finalObject[] items =this.items;

5@SuppressWarnings("unchecked")

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

7items[takeIndex] =null;

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

9takeIndex =0;

10count--;

11if(itrs !=null)

12itrs.elementDequeued();

13notFull.signal();

14returnx;

15}

HashMap

最常用的雜湊表, 面試的童鞋必備知識了, 內部通過陣列 + 單連結串列的方式實現. jdk8中引入了紅黑樹對長度 > 8的連結串列進行優化, 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

3Node loHead =null, loTail =null;

4//原來的hash值新增的bit為1的鏈，頭部和尾部

5Node hiHead =null, hiTail =null;

6Node next;

7//迴圈遍歷出鏈條鏈

8do{

9next = e.next;

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

11if(loTail ==null)

12loHead = e;

13else

14loTail.next = e;

15loTail = e;

16}

17else{

18if(hiTail ==null)

19hiHead = e;

20else

21hiTail.next = e;

22hiTail = e;

23}

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

25//擴容前後位置不變的鏈

26if(loTail !=null) {

27loTail.next =null;

28newTab[j] = loHead;

29}

30//擴容後位置加上原陣列長度的鏈

31if(hiTail !=null) {

32hiTail.next =null;

33newTab[j + oldCap] = hiHead;

34}

LinkedHashMap

繼承自HashMap, 底層額外維護了一個雙向連結串列來維持資料有序. 可以通過設定accessOrder來實現FIFO(插入有序)或者LRU(訪問有序)快取.

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

擴充套件閱讀

面試經驗分享之資料結構、演算法題

應對程式設計師面試，你必須知道的八大資料結構

初學者應該瞭解的資料結構：Array、HashMap 與 List

來源：https://www.cnblogs.com/xdecode/p/9321848.html