JAVA常用数据结构及原理分析

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：

    //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);}
            }
            //...
    }

  • 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：

      //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;
      }

    • 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：

      //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;
          }
      }

  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。

    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，用Comparator来比较key的大小。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：

  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;
      }
  }

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

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