動圖+源碼，演示Java中常用數據結構執行過程及原理

• 2019 年 10 月 3 日
• 筆記

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.

 

 

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)

循環遍曆數組, 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, 電腦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
• 遇到左括弧, 將其入棧
• 遇到右括弧, 執行出棧操作，並將出棧的元素輸出，直到彈出棧的是左括弧，左括弧不輸出。
• 遇到運算符(加減乘除)：彈出所有優先順序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

 

 

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.

 

 

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”.

 

 

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)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