JAVA常用数据结构及原理分析

小灰灰 2022-08-01 13:53 162阅读 0赞

前不久面试官让我说一下怎么理解java数据结构框架，之前也看过部分源码，balabala讲了一堆，现在总结一下。

java.util包中三个重要的接口及特点：**List（列表）、Set（保证集合中元素唯一）、Map（维护多个key-value键值对，保证key唯一）。其不同子类的实现各有差异，如是否同步（线程安全）、是否有序。**  
常用类继承树：  
![这里写图片描述][20150625230138672]

以下结合源码讲解常用类实现原理及相互之间的差异。

*  Collection （所有集合类的接口）  
    List、Set都继承自Collection接口，查看JDK API，操作集合常用的方法大部分在该接口中定义了。  
    ![这里写图片描述][20150626205509629]
    
     *  Collections （操作集合的工具类）  
        对于集合类的操作不得不提到工具类**Collections**，它提供了许多方便的方法，如求两个集合的差集、并集、拷贝、排序等等。  
        **由于大部分的集合接口实现类都是不同步的，可以使用Collections.synchronized\*方法创建同步的集合类对象。**  
        如创建一个同步的List：  
        `List synList = Collections.synchronizedList(new ArrayList());`  
        其实现原理就是重新封装new出来的对象，操作对象时用关键字synchronized同步。看源码很容易理解。  
        **Collections部分源码：**
        
            //Collections.synchronizedList返回的是静态类SynchronizedCollection的实例，最终将new出来的ArrayList对象赋值给了Collection<E> c。
            static class SynchronizedCollection<E> implements Collection<E>, Serializable {
            
                    final Collection<E> c;  // Backing Collection
                    final Object mutex;     // Object on which to synchronize
            
                    SynchronizedCollection(Collection<E> c) {
                        if (c==null)
                            throw new NullPointerException();
                        this.c = c;
                        mutex = this;
                    }
                    //...
                    public boolean add(E e) {
                        //操作集合时简单调用原本的ArrayList对象，只是做了同步
                        synchronized (mutex) {
                   return c.add(e);}
                    }
                    //...
            }
     *  List （列表）
        
         *  ArrayList、Vector是线性表，使用Object数组作为容器去存储数据的，添加了很多方法维护这个数组，使其容量可以动态增长，极大地提升了开发效率。它们明显的区别是ArrayList是非同步的，Vector是同步的。不用考虑多线程时应使用ArrayList来提升效率。  
            ArrayList、Vector 部分源码：
            
                //ArrayList.add
                public boolean add(E e) {
                    ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
                    //可以看出添加的对象放到elementData数组中去了
                    elementData[size++] = e;
                    return true;
                }
                //ArrayList.remove
                public E remove(int index) {
                    rangeCheck(index);
                
                    modCount++;
                    E oldValue = elementData(index);
                
                    int numMoved = size - index - 1;
                    if (numMoved > 0)
                        //移除元素时数组产生的空位由System.arraycopy方法将其后的所有元素往前移一位，System.arraycopy调用虚拟机提供的本地方法来提升效率
                        System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,
                                         numMoved);
                    elementData[--size] = null; // Let gc do its work
                
                    return oldValue;
                }
                
                //Vector add方法上多了synchronized关键字
                public synchronized boolean add(E e) {
                    modCount++;
                    ensureCapacityHelper(elementCount + 1);
                    elementData[elementCount++] = e;
                    return true;
                }
         *  LinkedList是链表，略懂数据结构就知道其实现原理了。链表随机位置插入、删除数据时比线性表快，遍历比线性表慢。  
            双向链表原理图：  
            ![这里写图片描述][20150626215909212]  
            LinkedList部分源码：
            
                //源码很清晰地表达了原理图
                public class LinkedList<E> extends AbstractSequentialList<E> implements List<E>, Deque<E>, Cloneable, java.io.Serializable { 
                    //头尾节点
                    transient Node<E> first;
                    transient Node<E> last;
                }
                //节点类
                 private static class Node<E> { 
                    //节点存储的数据
                    E item;
                    Node<E> next;
                    Node<E> prev;
                    Node(Node<E> prev, E element, Node<E> next) {
                        this.item = element;
                        this.next = next;
                        this.prev = prev;
                    }
                }
    
    ***由此可根据实际情况来选择使用ArrayList（非同步、非频繁删除时选择）、Vector（需同步时选择）、LinkedList（频繁在任意位置插入、删除时选择）。***
 *  Map（存储键值对，key唯一）
    
     *  HashMap结构的实现原理是将put进来的key-value封装成一个Entry对象存储到一个Entry数组中，位置（数组下标）由key的哈希值与数组长度计算而来。如果数组当前下标已有值，则将数组当前下标的值指向新添加的Entry对象。  
        有点晕，看图吧：  
        ![这里写图片描述][20150626221927729]  
        看完图再看源码，非常清晰，都不需要注释。
        
            public class HashMap<K,V> extends AbstractMap<K,V> implements Map<K,V>, Cloneable, Serializable { 
                transient Entry<K,V>[] table;
                public V put(K key, V value) {
                    if (key == null)
                        return putForNullKey(value);
                    int hash = hash(key);
                    int i = indexFor(hash, table.length);
                    //遍历当前下标的Entry对象链，如果key已存在则替换
                    for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {
                    Object k;
                    if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {
                        V oldValue = e.value;
                        e.value = value;
                        e.recordAccess(this);
                        return oldValue;
                    }
                }
                   addEntry(hash, key, value, i);
                    return null;
                }
            }
            static class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
                final K key;
                V value;
                Entry<K,V> next;
                int hash;
            }
     *  TreeMap是由Entry对象为节点组成的一颗**红黑树**，put到TreeMap的数据默认按key的自然顺序排序，new TreeMap时传入Comparator自定义排序。红黑树网上很多资料，我讲不清，这里就不介绍了。
 *  Set（保证容器内元素唯一性）  
    之所以先讲Map是因为**Set结构其实就是维护一个Map来存储数据的，利用Map结构key值唯一性**。  
    HashSet部分源码：
    
        public class HashSet<E> extends AbstractSet<E> implements Set<E>, Cloneable, java.io.Serializable {     
        
            //无意义对象来作为Map的value 
            private static final Object PRESENT = new Object();
            public boolean add(E e) {
                return map.put(e, PRESENT)==null;
            }
        }
    
    HashSet、TreeSet分别默认维护一个HashMap、TreeMap。

[20150625230138672]: /images/20220731/6cb8e5f653ca4b2fa1dd9c66588dd856.png
[20150626205509629]: /images/20220731/e687021a2a30489caccd10d64c799974.png
[20150626215909212]: /images/20220731/54f954c5f8034738aae4cb9d8fc1b596.png
[20150626221927729]: /images/20220731/373f9e120f714a758ac3659162373a3f.png