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动图详解:常用数据结构及其设计原理,数据结构严蔚敏

动图详解:常用数据结构及其设计原理,数据结构严蔚敏


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:

厉害了!动图详解~常用数据结构及其设计原理

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)

厉害了!动图详解~常用数据结构及其设计原理

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。

  1. if?(index?>?1))?{?
  2. ?Node?x?=?first;?
  3. ?for?(int?i?=?0;?i?
  4. ?x?=?x.next;?
  5. ?return?x;?
  6. }?else?{?
  7. ?Node?x?=?last;?
  8. ?for?(int?i?=?size?-?1;?i?>?index;?i--)?
  9. ?x?=?x.prev;?
  10. ?return?x;?
  11. }?

厉害了!动图详解~常用数据结构及其设计原理

靠队尾

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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。

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remove(E)

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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)

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扩容

一般默认容量是10,扩容后,会length*1.5。

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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。

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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)

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pop()

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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。?
厉害了!动图详解~常用数据结构及其设计原理

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?
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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)

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put(E) 队列满了

  1. final?ReentrantLock?lock?=?this.lock;?
  2. lock.lockInterruptibly();?
  3. try?{?
  4. ?while?(count?==?items.length)?
  5. ?notFull.await();?
  6. ?enqueue(e);?
  7. }?finally?{?
  8. ?lock.unlock();?
  9. }?

厉害了!动图详解~常用数据结构及其设计原理

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。

  1. private?E?dequeue()?{?
  2. ??//?assert?lock.getHoldCount()?==?1;?
  3. ??//?assert?items[takeIndex]?!=?null;?
  4. ??final?Object[]?items?=?this.items;?
  5. ??@SuppressWarnings("unchecked")?
  6. ??E?x?=?(E)?items[takeIndex];?
  7. ??items[takeIndex]?=?null;?
  8. ??if?(++takeIndex?==?items.length)?
  9. ??takeIndex?=?0;?
  10. ?count--;?
  11. ?if?(itrs?!=?null)?
  12. ?itrs.elementDequeued();?
  13. ?notFull.signal();?
  14. ?return?x;?
  15. ?}?

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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)

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put(K, V) 相同hash值

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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".
  1. //定义两条链?
  2. ?//原来的hash值新增的bit为0的链,头部和尾部?
  3. ?Node?loHead?=?null,?loTail?=?null;?
  4. ?//原来的hash值新增的bit为1的链,头部和尾部?
  5. ?Node?hiHead?=?null,?hiTail?=?null;?
  6. ?Node?next;?
  7. ?//循环遍历出链条链?
  8. ?do?{?
  9. ?next?=?e.next;?
  10. ?if?((e.hash?&?oldCap)?==?0)?{?
  11. ?if?(loTail?==?null)?
  12. ?loHead?=?e;?
  13. ?else?
  14. ?loTail.next?=?e;?
  15. ?loTail?=?e;?
  16. ?}?
  17. ?else?{?
  18. ?if?(hiTail?==?null)?
  19. ?hiHead?=?e;?
  20. ?else?
  21. ?hiTail.next?=?e;?
  22. ?hiTail?=?e;?
  23. ?}?
  24. ?}?while?((e?=?next)?!=?null);?
  25. ?//扩容前后位置不变的链?
  26. ?if?(loTail?!=?null)?{?
  27. ?loTail.next?=?null;?
  28. ?newTab[j]?=?loHead;?
  29. ?}?
  30. ?//扩容后位置加上原数组长度的链?
  31. ?if?(hiTail?!=?null)?{?
  32. 32?hiTail.next?=?null;?
  33. 33?newTab[j?+?oldCap]?=?hiHead;?
  34. 34?}?
厉害了!动图详解~常用数据结构及其设计原理

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)

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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。

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removeEldestEntry 删除最老的元素

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