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JAVA常用数据结构

分类: 文章 • 2024-04-12 14:43:56

JAVA常用数据结构及原理分析(面试总结)

2017年05月21日 17:27:58 偏偏一叶扁舟 阅读数：57538

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最近准备面试，因此整理一份Java中常用的数据结构资料，方便面试；

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：

 

JAVA常用数据结构

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。

JAVA常用数据结构

 

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：

 

  1. static class SynchronizedCollection<e> implements Collection<e>, Serializable {

  2.  

  3. final Collection<e> c; // Backing Collection

  4. final Object mutex; // Object on which to synchronize

  5.  

  6. SynchronizedCollection(Collection<e> c) {

  7. if (c==null)

  8. throw new NullPointerException();

  9. this.c = c;

  10. mutex = this;

  11. }

  12. //...

  13. public boolean add(E e) {

  14. //操作集合时简单调用原本的ArrayList对象，只是做了同步

  15. synchronized (mutex) {return c.add(e);}

  16. }

  17. //...

  18. }

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：

 

  1. public boolean add(E e) {

  2. ensureCapacityInternal(size + 1); // Increments modCount!!

  3. //可以看出添加的对象放到elementData数组中去了

  4. elementData[size++] = e;

  5. return true;

  6. }

  7. //ArrayList.remove

  8. public E remove(int index) {

  9. rangeCheck(index);

  10.  

  11. modCount++;

  12. E oldValue = elementData(index);

  13.  

  14. int numMoved = size - index - 1;

  15. if (numMoved > 0)

  16. //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

  17. System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,

  18. numMoved);

  19. elementData[--size] = null; // Let gc do its work

  20.  

  21. return oldValue;

  22. }

  23.  

  24. //Vector add方法上多了synchronized关键字

  25. public synchronized boolean add(E e) {

  26. modCount++;

  27. ensureCapacityHelper(elementCount + 1);

  28. elementData[elementCount++] = e;

  29. return true;

  30. }


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：

JAVA常用数据结构

LinkedList部分源码：

 

  1. public class LinkedList<e>

  2. extends AbstractSequentialList<e>

  3. implements List<e>, Deque<e>, Cloneable, java.io.Serializable

  4. {

  5. //头尾节点

  6. transient Node<e> first;

  7. transient Node<e> last;

  8. }

  9. //节点类

  10. private static class Node<e> {

  11. //节点存储的数据

  12. E item;

  13. Node<e> next;

  14. Node<e> prev;

  15. Node(Node<e> prev, E element, Node<e> next) {

  16. this.item = element;

  17. this.next = next;

  18. this.prev = prev;

  19. }

  20. }

 

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：

 

JAVA常用数据结构

看完图再看源码，非常清晰，都不需要注释。

 

  1. public class HashMap<k,v>

  2. extends AbstractMap<k,v>

  3. implements Map<k,v>, Cloneable, Serializable

  4. {

  5. transient Entry<k,v>[] table;

  6. public V put(K key, V value) {

  7. if (key == null)

  8. return putForNullKey(value);

  9. int hash = hash(key);

  10. int i = indexFor(hash, table.length);

  11. //遍历当前下标的Entry对象链，如果key已存在则替换

  12. for (Entry<k,v> e = table[i]; e != null; e = e.next) {

  13. Object k;

  14. if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {

  15. V oldValue = e.value;

  16. e.value = value;

  17. e.recordAccess(this);

  18. return oldValue;

  19. }

  20. }

  21. addEntry(hash, key, value, i);

  22. return null;

  23. }

  24. }

  25. static class Entry<k,v> implements Map.Entry<k,v> {

  26. final K key;

  27. V value;

  28. Entry<k,v> next;

  29. int hash;

  30. }

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：

 

  1. public class HashSet<e>

  2. extends AbstractSet<e>

  3. implements Set<e>, Cloneable, java.io.Serializable

  4. {

  5.  

  6. //无意义对象来作为Map的value

  7. private static final Object PRESENT = new Object();

  8. public boolean add(E e) {

  9. return map.put(e, PRESENT)==null;

  10. }

  11. }

<strong> HashMap 支持key=null 但是 Hashtable 不支持 key =null</strong>

 

HashMap和Hashtable的区别

HashMap和Hashtable都实现了Map接口，但决定用哪一个之前先要弄清楚它们之间的分别。主要的区别有：线程安全性，同步(synchronization)，以及速度。

  1. HashMap几乎可以等价于Hashtable，除了HashMap是非synchronized的，并可以接受null(HashMap可以接受为null的键值(key)和值(value)，而Hashtable则不行)。
  2. HashMap是非synchronized，而Hashtable是synchronized，这意味着Hashtable是线程安全的，多个线程可以共享一个Hashtable；而如果没有正确的同步的话，多个线程是不能共享HashMap的。Java 5提供了ConcurrentHashMap，它是HashTable的替代，比HashTable的扩展性更好。
  3. 另一个区别是HashMap的迭代器(Iterator)是fail-fast迭代器，而Hashtable的enumerator迭代器不是fail-fast的。所以当有其它线程改变了HashMap的结构（增加或者移除元素），将会抛出ConcurrentModificationException，但迭代器本身的remove()方法移除元素则不会抛出ConcurrentModificationException异常。但这并不是一个一定发生的行为，要看JVM。这条同样也是Enumeration和Iterator的区别。
  4. 由于Hashtable是线程安全的也是synchronized，所以在单线程环境下它比HashMap要慢。如果你不需要同步，只需要单一线程，那么使用HashMap性能要好过Hashtable。
  5. HashMap不能保证随着时间的推移Map中的元素次序是不变的。

要注意的一些重要术语：

1) sychronized意味着在一次仅有一个线程能够更改Hashtable。就是说任何线程要更新Hashtable时要首先获得同步锁，其它线程要等到同步锁被释放之后才能再次获得同步锁更新Hashtable。

2) Fail-safe和iterator迭代器相关。如果某个集合对象创建了Iterator或者ListIterator，然后其它的线程试图“结构上”更改集合对象，将会抛出ConcurrentModificationException异常。但其它线程可以通过set()方法更改集合对象是允许的，因为这并没有从“结构上”更改集合。但是假如已经从结构上进行了更改，再调用set()方法，将会抛出IllegalArgumentException异常。

3) 结构上的更改指的是删除或者插入一个元素，这样会影响到map的结构。

我们能否让HashMap同步？

HashMap可以通过下面的语句进行同步：
Map m = Collections.synchronizeMap(hashMap);

结论

Hashtable和HashMap有几个主要的不同：线程安全以及速度。仅在你需要完全的线程安全的时候使用Hashtable，而如果你使用Java 5或以上的话，请使用ConcurrentHashMap吧。



HashSet、TreeSet分别默认维护一个HashMap、TreeMap。

 

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