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Java集合类的数据结构
2019-07-10 18:11:07 】 浏览:63
Tags:Java 集合 数据结构

Java的集合其实就是各种基本的数据结构(栈,队列,hash表等),基于业务需求进而演变出的Java特有的数据结构(因为不仅仅是基本数据结构)。现在,我们以数据结构的视角来看看Java的集合到底是什么样子。并分析他们的性能。


主要分为三种:


其中Set和List继承自Collection接口,Map则就是Map接口。


接口中都定义了一些基本增删改查的方法。


具体继承体系如下图:


Java集合类的数据结构


基本可以从名字知道集合的内部数据结构。


下面大略说下每个集合的数据结构,懒得贴源码了。


最常用的List就是ArrayList和LinkedList了,在此不讨论并发的List集合。
讨论下底层源码对它们的具体实现。


因为使用的基本数组,不像哈希数组一样需要考虑哈希碰撞问题,因此负载因子默认为1。当List数组容量不够时才进行扩容,扩容的倍数为1.5倍


通过Arrays.copyOf方法,返回复制的新数组。Arrays.copyOf底层调用的System.arraycopy方法。而在ArrayList初始化时,如果不指定初始数组长度,在JDK1.6之后默认初始长度为0,在JDK1.6之前则默认为10。在JDK1.6后,ArrayList在第一次扩容时,如果扩容长度不足10,则会直接扩容到10。


具体集合怎么使用就不废话了。


很明显,ArrayList是某种程度上的哈希表,适合随机读,但是不适合在集合中间插入和删除(会造成后续数据的位移)。
而LinkedList适合在头尾部插入删除,不适合随机读。


值得一提的是ArrayList随机读的时间复杂度是O(1),LinkedList是O(n)。而ArrayList在中间插入和删除的时间复杂度是O(n),LinekdList在中间插入删除时间复杂度也是O(n)


可以明显看出来ArrayList在插入删除上和LinkedList理论上所用的时间是一个级别的,但是ArrayList慢于LinkedList是因为在修改集合后需要进行其他数组数据的移动,而LinkedList则是查找节点花费了O(n),不需要额外移动数据,所以在同样数据量时,LinkedList进行数据修改优于ArrayList。


最常用的Map就是HashMap和TreeMap。


哈希数组的使用不可避免的需要考虑哈希碰撞问题,常用的解决方案有:


在JDK里,使用的就是拉链法解决的哈希碰撞问题,因此每个哈希数组上的数组元素(又被称为桶——bucket),都是一个链表的表头。这样基本保证了HashMap的平均查找时间是O(1)。


但是当出现频繁哈希碰撞时,会导致某个链表过长进而导致了查找时间会趋近于O(n)。对此JDK原本的解决方案是设置负载因子为0.75。当哈希表总负载量达到0.75时,就会进行扩容,扩容为原本的2倍。这样当数据平均下来后,不太容易出现过长的链表(因为扩容会分解链表重新放入桶中)。


但是这并没有解决特殊情况下查找效率的问题,只是让这种特殊情况更难以出现了。


因此在JDK1.8中又做出了改进,当某个桶中的链表的长度大于8时。链表会重构成一个红黑树。这样保证了HashMap的最坏时间复杂度也仅仅是O(logn)。同时负载因子引起的扩容也保证了红黑树的重构不会频繁发生,不会因为频繁建树导致过多的性能开销。


另外值得一说的就是HashMap在不知道初始长度进行初始化时,JDK1.6前默认长度为16,JDK1.6后默认长度为0。基本在JDK1.6中,需要初始化底层容器的集合都做出了这种优化。不会提前构造底层容器造成开销,会等到使用时才进行底层的初始化。


而HashMap默认长度设置为16,并且每次扩容都是2倍。这是为了方便底层的哈希数组进行取模时的运算,可以把取模的除法运算改写成位移运算,提升性能。


并且在JDK1.8中,HashMap关于取模运算还做了另一个优化。在JDK1.8之前,每次哈希数组扩容时,链表里的数据都会再次进行哈希运算。而在JDK1.8后,不需要再进行运算了,只需要在每个桶中选择一半数据往后移动oldLength位就行(oldLength是集合在扩容前的容量)。


而另一个常用的Map——TreeMap,底层就是用JAVA写了一个红黑树,感觉没什么好说的。有兴趣的可以回去翻翻数据结构的书。


HashMap的每个Node还会以插入顺序相互关联成为双向链表。


Set主要是SortedSet和HashSet。打开源码一看,分别new了一个TreeMap和HashMap,然后把数据存在了Key里。嗯,这就是Set的底层实现了。



Java集合类的数据结构 https://www.cppentry.com/bencandy.php?fid=54&id=227482

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