动图详解~常用数据结构及其设计原理

最近在整理数据结构方面的知识,系统化看了下Java中常用数据结构,突发奇想用动画来绘制数据流转过程。

主要基于jdk8,可能会有些特性与jdk7之前不相同,例如LinkedList LinkedHashMap中的双向列表不再是回环的。HashMap中的单链表是尾插,而不是头插入等等,后文不再赘叙这些差异,本文目录结构如下:

1. LinkedList

LinkedList经典的双链表结构,适用于乱序插入,删除。指定序列操作则性能不如ArrayList,这也是其数据结构决定的。

add(E) / addLast(E)

add(index, E)

这边有个小的优化,他会先判断index是靠近队头还是队尾,来确定从哪个方向遍历链入。

if (index < (size >> 1)) { 
 Node<E> x = first; 
 for (int i = 0; i < index; i++) 
 x = x.next; 
 return x; 
} else { 
 Node<E> x = last; 
 for (int i = size - 1; i > index; i--) 
 x = x.prev; 
 return x; 
} 

靠队尾

get(index)

也是会先判断index,不过性能依然不好,这也是为什么不推荐用for(int i = 0; i < lengh; i++)的方式遍历linkedlist,而是使用iterator的方式遍历。

remove(E)

2. ArrayList

ArrayList底层就是一个数组,因此按序查找快,乱序插入,删除因为涉及到后面元素移位所以性能慢。

add(index, E)

扩容

一般默认容量是10,扩容后,会length*1.5。

remove(E)

循环遍历数组,判断E是否equals当前元素,删除性能不如LinkedList。

3. Stack

Stack是经典的数据结构,底层也是数组,继承自Vector,先进后出FILO,默认new Stack()容量为10,超出自动扩容。

push(E)

pop()

4. 后缀表达式

Stack的一个典型应用就是计算表达式如 9 + (3 - 1) * 3 + 10 / 2,计算机将中缀表达式转为后缀表达式,再对后缀表达式进行计算。

中缀转后缀

  • 数字直接输出
  • 栈为空时,遇到运算符,直接入栈
  • 遇到左括号, 将其入栈
  • 遇到右括号, 执行出栈操作,并将出栈的元素输出,直到弹出栈的是左括号,左括号不输出。
  • 遇到运算符(加减乘除):弹出所有优先级大于或者等于该运算符的栈顶元素,然后将该运算符入栈
  • 最终将栈中的元素依次出栈,输出。

计算后缀表达

  • 遇到数字时,将数字压入堆栈
  • 遇到运算符时,弹出栈顶的两个数,用运算符对它们做相应的计算, 并将结果入栈
  • 重复上述过程直到表达式最右端
  • 运算得出的值即为表达式的结果

5. 队列

与Stack的区别在于:Stack的删除与添加都在队尾进行,而Queue删除在队头,添加在队尾。

ArrayBlockingQueue

生产消费者中常用的阻塞有界队列,FIFO。

put(E)

put(E) 队列满了

final ReentrantLock lock = this.lock; 
lock.lockInterruptibly(); 
try { 
 while (count == items.length) 
 notFull.await(); 
 enqueue(e); 
} finally { 
 lock.unlock(); 
} 

take()

当元素被取出后,并没有对数组后面的元素位移,而是更新takeIndex来指向下一个元素。

takeIndex是一个环形的增长,当移动到队列尾部时,会指向0,再次循环。

private E dequeue() { 
  // assert lock.getHoldCount() == 1; 
  // assert items[takeIndex] != null; 
  final Object[] items = this.items; 
  @SuppressWarnings("unchecked") 
  E x = (E) items[takeIndex]; 
  items[takeIndex] = null; 
  if (++takeIndex == items.length) 
  takeIndex = 0; 
 count--; 
 if (itrs != null) 
 itrs.elementDequeued(); 
 notFull.signal(); 
 return x; 
 } 

6. HashMap

最常用的哈希表,面试的童鞋必备知识了,内部通过数组 + 单链表的方式实现。dk8中引入了红黑树对长度 > 8的链表进行优化,我们另外篇幅再讲。

put(K, V)

put(K, V) 相同hash值

resize 动态扩容

当map中元素超出设定的阈值后,会进行resize (length * 2)操作,扩容过程中对元素一通操作,并放置到新的位置。

具体操作如下:

  • 在jdk7中对所有元素直接rehash, 并放到新的位置.
  • 在jdk8中判断元素原hash值新增的bit位是0还是1, 0则索引不变, 1则索引变成"原索引 + oldTable.length".
//定义两条链 
 //原来的hash值新增的bit为0的链,头部和尾部 
 Node<K,V> loHead = null, loTail = null; 
 //原来的hash值新增的bit为1的链,头部和尾部 
 Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null; 
 Node<K,V> next; 
 //循环遍历出链条链 
 do { 
 next = e.next; 
 if ((e.hash & oldCap) == 0) { 
 if (loTail == null) 
 loHead = e; 
 else 
 loTail.next = e; 
 loTail = e; 
 } 
 else { 
 if (hiTail == null) 
 hiHead = e; 
 else 
 hiTail.next = e; 
 hiTail = e; 
 } 
 } while ((e = next) != null); 
 //扩容前后位置不变的链 
 if (loTail != null) { 
 loTail.next = null; 
 newTab[j] = loHead; 
 } 
 //扩容后位置加上原数组长度的链 
 if (hiTail != null) { 
32 hiTail.next = null; 
33 newTab[j + oldCap] = hiHead; 
34 } 

7. LinkedHashMap

继承自HashMap,底层额外维护了一个双向链表来维持数据有序。可以通过设置accessOrder来实现FIFO(插入有序)或者LRU(访问有序)缓存。

put(K, V)

get(K)

accessOrder为false的时候,直接返回元素就行了,不需要调整位置。

accessOrder为true的时候,需要将最近访问的元素,放置到队尾。

removeEldestEntry 删除最老的元素

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