幾張動態圖捋清Java經常使用數據結構及其設計原理

最近在整理數據結構方面的知識, 系統化看了下Java中經常使用數據結構, 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以前不相同, 例如LinkedList LinkedHashMap中的雙向列表再也不是迴環的.

HashMap中的單鏈表是尾插, 而不是頭插入等等, 後文再也不贅敘這些差別, 本文目錄結構以下:

LinkedList

經典的雙鏈表結構, 適用於亂序插入, 刪除. 指定序列操做則性能不如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是靠近隊頭仍是隊尾, 來肯定從哪一個方向遍歷鏈入.

1         if (index < (size >> 1)) {2             Node<E> x = first;3             for (int i = 0; i < index; i++)4                 x = x.next;5             return x;6         } else {7             Node<E> x = last;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, 不過性能依然很差, 這也是爲何不推薦用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, 所以按序查找快, 亂序插入, 刪除由於涉及到後面元素移位因此性能慢.

add(index, E)

擴容

通常默認容量是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()容量爲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爲後綴表達式, 再對後綴表達式進行計算.

中綴轉後綴

• 數字直接輸出
• 棧爲空時，遇到運算符，直接入棧
• 遇到左括號, 將其入棧
• 遇到右括號, 執行出棧操做，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)：彈出全部優先級大於或者等於該運算符的棧頂元素，而後將該運算符入棧
• 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，用運算符對它們作相應的計算, 並將結果入棧
• 重複上述過程直到表達式最右端
• 運算得出的值即爲表達式的結果

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

生產消費者中經常使用的阻塞有界隊列, 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, 並無對數組後面的元素位移, 而是更新takeIndex來指向下一個元素.

takeIndex是一個環形的增加, 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

最經常使用的哈希表, 面試的童鞋必備知識了, 內部經過數組 + 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, 咱們另外篇幅再講.

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)操做, 擴容過程當中對元素一通操做, 並放置到新的位置.

具體操做以下:

• 在jdk7中對全部元素直接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仍是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爲0的鏈，頭部和尾部3     Node<K,V> loHead = null, loTail = null;4     //原來的hash值新增的bit爲1的鏈，頭部和尾部5     Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null;6     Node<K,V> 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             else14                 loTail.next = e;15             loTail = e;16         }17         else {18             if (hiTail == null)19                 hiHead = e;20             else21                 hiTail.next = e;22             hiTail = e;23         }24     } while ((e = next) != null);25     //擴容先後位置不變的鏈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. 能夠經過設置accessOrder來實現FIFO(插入有序)或者LRU(訪問有序)緩存.

put(K, V)

get(K)

accessOrder爲false的時候, 直接返回元素就好了, 不須要調整位置.

accessOrder爲true的時候, 須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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原做者：大道方圓
原文連接： 圖解Java經常使用數據結構(一) - 大道方圓 - 博客園
原出處：博客園