JAVA常用数据结构及原理分析
集合父接口Collection,Map和集合工具类Collections
集合框架Collection的三种主要实现如下:List(列表),Set(散列集,有一个key-value的Map进行维护,其中key值保证Set集合里元素的唯一性),Queue(队列,先进先出,底层实现可以用List列表或者LinkedList链表)
集合框架的另外一种数据类型的总接口是Map,基于Key-Value进行存储数据的,其中Key键值是不可重复的,主要是通过类的hashCode()和equal()进行保证的
Collections,它封装了所有集合的关于算法操作的具体实现静态方法:二分查找,找出集合最大值,集合最小值,打乱集合,以及生成不可修改集合,同步集合(多线程环境下使用),其主要方法API如下:
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) {
//锁定信号量才可以对集合进行操作,在多线程环境下来进行同步,调用的还是原来的方法
//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)
List列表允许存储相同元素,插入元素和按照下标获取元素方便,具体实现有ArrayList,LinkedList和Vector,
-
ArrayList底层基于数组实现的,按顺序存储元素以及快速按照元素下标进行获取元素,不可同步的;
-
而Vector底层也是数组,可进行同步操作,在多线程环境下可以使用;
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是链表可以在具体下标位置删除和添加元素,在许多需要根据具体下标添加和删除元素的应用场景下比ArrayList有更好的性能,遍历比线性表慢。
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;
}
}
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。
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。
HashMap和TreeMap的区别
(1)HashMap:适用于在Map中插入、删除和定位元素。
(2)Treemap:适用于按自然顺序或自定义顺序遍历键(key)。
(3)HashMap通常比TreeMap快一点(树和哈希表的数据结构使然),建议多使用HashMap,在需要排序的Map时候才用TreeMap.
(4)HashMap 非线程安全 TreeMap 非线程安全
(5)HashMap的结果是没有排序的,而TreeMap输出的结果是排好序的
Set(保证容器内元素唯一性,插入删除效率高)
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的底层通过HashMap实现的,而HashMap在1.7之前使用的是数组+链表实现,在1.8+使用的数组+链表+红黑树实现。其实也可以这样理解,HashSet的底层实现和HashMap使用的是相同的方式,因为Map是无序的,因此HashSet也无法保证顺序。HashSet的方法也是借助HashMap的方法来实现的。
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;
}
}
TreeSet实现了SortedSet接口,它是一个有序的集合类,TreeSet的底层是通过TreeMap实现的。TreeSet并不是根据插入的顺序来排序,而是根据实际的值的大小来排序。。
数组和链表的区别
不同:
- 链表是链式的存储结构;数组是顺序的存储结构 链表通过指针来连接元素与元素,数组则是把所有元素按次序依次存储。
- 链表的插入删除元素相对数组较为简单,不需要移动元素,且较为容易实现长度扩充,但是寻找某个元素较为困难;
数组寻找某个元素较为简单,但插入与删除比较复杂,由于最大长度需要再编程一开始时指定,故当达到最大长度时,扩充长度不如链表方便。
相同:
两种结构均可实现数据的顺序存储,构造出来的模型呈线性结构。
链表是什么
链表是一种上一个元素的引用指向下一个元素的存储结构,链表通过指针来连接元素与元素;链表就是将一系列不连续的内存联系起来,将那种碎片内存进行合理的利用,解决空间的问题。
什么是hash碰撞?
HashMap中用的最多的方法就属put() 和 get() 方法;HashMap的Key值是唯一的,那如何保证唯一性呢?我们首先想到的是用equals比较,没错,这样可以实现,但随着内部元素的增多,put和get的效率将越来越低,这里的时间复杂度是O(n),假如有1000个元素,put时最差情况需要比较1000次。实际上,HashMap很少会用到equals方法,因为其内通过一个哈希表管理所有元素,哈希是通过hash单词音译过来的,也可以称为散列表,哈希算法可以快速的存取元素,当我们调用put存值时,HashMap首先会调用Key的hash方法,计算出哈希码,通过哈希码快速找到某个存放位置(桶),这个位置可以被称之为bucketIndex,但可能会存在多个元素找到了相同的bucketIndex,有个专业名词叫碰撞,当碰撞发生时,这时会取到bucketIndex位置已存储的元素,最终通过equals来比较,equals方法就是碰撞时才会执行的方法,所以前面说HashMap很少会用到equals。HashMap通过hashCode和equals最终判断出Key是否已存在,如果已存在,则使用新Value值替换旧Value值,并返回旧Value值,如果不存在 ,则存放新的键值对<K, V>到bucketIndex位置。
碰撞:多个元素计算得出相同的hashCode,在put时出现冲突。
HashMap 碰撞问题处理:
Java中HashMap是利用“拉链法”处理HashCode的碰撞问题。在调用HashMap的put方法或get方法时,都会首先调用hashcode方法,去查找相关的key,当有冲突时,再调用equals方法。hashMap基于hasing原理,我们通过put和get方法存取对象。当我们将键值对传递给put方法时,他调用键对象的hashCode()方法来计算hashCode,然后找到bucket(哈希桶)位置来存储对象。当获取对象时,通过键对象的equals()方法找到正确的键值对,然后返回值对象。HashMap使用链表来解决碰撞问题,当碰撞发生了,对象将会存储在链表的下一个节点中。hashMap在每个链表节点存储键值对对象。当两个不同的键却有相同的hashCode时,他们会存储在同一个bucket位置的链表中。键对象的equals()来找到键值对。
hashcode是什么?
- hashcode就是通过hash函数得来的,通俗的说,就是通过某一种算法得到的,hashcode就是在hash表中有对应的位置。
- hash是一个函数,该函数中的实现就是一种算法,就是通过一系列的算法来得到一个hash值,这个时候,我们就需要知道另一个东西,hash表,通过hash算法得到的hash值就在这张hash表中,也就是说,hash表就是所有的hash值组成的,有很多种hash函数,也就代表着有很多种算法得到hash值,如上面截图的三种,等会我们就拿第一种来说。
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