JAVA常用数据结构及原理分析

JAVA常用数据结构及原理分析

http://www.2cto.com/kf/201506/412305.html

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：

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。

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：

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<code class="language-java hljs ">//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);}         }         //... }</e></e></e></e></e></code>

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：

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<code class="language-java hljs ">//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; }</code>

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：

LinkedList部分源码：

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<code class="language-java hljs ">//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;     } }</e></e></e></e></e></e></e></e></e></e></e></code>

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：

看完图再看源码，非常清晰，都不需要注释。

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<code class="language-java hljs ">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; }</k,v></k,v></k,v></k,v></k,v></k,v></k,v></k,v></code>

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：

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<code class="language-java hljs ">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;     } }</e></e></e></code>

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