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Java 集合

时间:2023-08-11 17:24:26浏览次数:51  
标签:Java ArrayList 元素 链表 数组 集合 下标 节点

Java 集合也叫作容器,就是专门用来存放对象的;也就是说,没有办法存放基础数据类型 int,必须要存放包装类 Integer。

Java 集合主要是由两大接口派生而来:一个是 Collecton 接口,主要用于存放单一元素;另一个是 Map 接口,主要用于存放键值对。

对于 Collection 接口,下面又有三个主要的子接口:List 、 Set 和 Queue,如下图:

wYzsbC5xqY5VCq6R.png

集合与数组的区别:

  • 数组的长度是固定的,集合的长度不固定。
  • 数组可以存储基本类型和引用类型,集合只能存储引用类型。

ArrayList

ArrayList 就是一个 非线程安全 的动态数组,并且允许元素为 null。

ArrayList 底层就是使用数组实现的,所以通过下标访问或修改快,尾部追加要看是不是需要扩容,需要扩容的话就慢。

1.数组用来做队列合适么?

ArrayList 不适合做队列,但是数组是非常合适的。比如 ArrayBlockingQueue 内部实现就是一个环形队列,它是一个定长队列,内部是用一个定长数组来实现的。

2.ArrayList 和 Vector 的区别?

主要区别就是 ArrayList 是非线程安全的,Vector 是线程安全的;它们的实现都是差不多的,都是使用 Object[] 数组存储元素,而且都可以返回 ListIterator<E> 迭代器。这两个集合都适用于查询比较多,增删比较少的情况。

下面是 ArrayList 的继承和实现:

public class ArrayList<E> extends AbstractList<E> implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable

继承和实现图:

Dcs4H7qXWena30cWWTOR.png

扩容逻辑

先来说说扩容,我个人将 ArrayList 的扩容方式分为两种:主动扩容和被动扩容:

  • 主动扩容:调用 ensureCapacity(int) 方法
  • 被动扩容:是调用 add、addAll、readObject 方法时,会判断需不需要扩容

但是扩容逻辑都是一样的,目标大小 - 集合长度 > 0 就说明需要扩容:

  1. 按照当前集合长度 * 1.5 算出一个新的集合长度,假设当前集合长度为 10,10 * 1.5 = 15。
  2. 在创建一个新数组,然后调用 System.arraycopy 方法,将旧数组中的元素拷贝到新数组中。

添加元素

  1. 使用 boolean add(E) 方法在尾部追加元素:先判断需不需要扩容,然后再把元素添加到 size + 1 的下标位置。
  2. 使用 add(int, E) 在指定下标中插入元素:先判断需不需要扩容,然后从要插入的下标开始,使用 System.arraycopy 将原来的元素整体后移,最后将要插入的元素赋值给要插入的下标。

插入元素不一定比 LinkedList 慢,要看需不需要扩容。

移除元素

  1. 根据 E remove(int) 下标删除元素:从要删除的下标 + 1开始,使用 System.arraycopy 将原来的元素整体前移,最后将最后一个元素设置为 null。

  2. 根据 boolean remove(Object) 对象删除元素:通过 for 循环找到要删除的实例下标,然后从要删除的下标 + 1开始,使用 System.arraycopy 将原来的元素整体前移,最后将最后一个元素设置为 null。

删除集合中所有 null 元素

Java 8 方式:

List<Integer> listWithoutNulls = Lists.newArrayList(null, 1, 2, null, 3, null);
listWithoutNulls.removeIf(Objects::isNull);

LinkedList

LinkedList 使用 双向链表 的形式存放数据,非线程安全的,增删比较快,但是查询慢,因为要使用 for 循环遍历。

LinkedList 中有两个属性:

  • first:头节点
  • last:尾节点

每个节点也有两个属性:

  • next:下一个节点
  • prev:上一个节点

添加节点

  1. 在尾部追加元素:

    添加第一个元素头尾节点都指向节点 1,节点 1 的上一个和下一个节点都为 null。

    当添加节点2的时候,尾节点指向节点 2,节点 1 的下一个节点指向节点 2,节点 2 的上一个节点指向节点1。

    x9LuvGdyHXEBvbqj.png
  2. 在指定位置插入元素:假设链表中有两个节点,要在下标 1 的位置插入新节点 3

    先通过 for 循环,获取出下标 1 的节点 2,然后节点 1 的下一个节点指向节点 3,节点 3 的上一个节点指向节点 1,下一个节点指向节点 2,然后节点 2 的上一个节点指向节点 3。
    下面这张图是最终的执行结果图,节点 2 就是新节点,节点 3 就是上图的节点 2:

    x9LuvGdyHXEBvbqj1.png

移除节点

  1. 通过下标移除元素:和在指定位置插入元素的操作相反。

  2. 通过对象移除元素:通过 for 循环从前面找到元素,修改左右两边元素的 next 和 prev。

获取节点

通过 get(int index) 方式获取节点时,先将集合大小(size)除以 2,如果参数 index 小于 除以 2 以后的值,就会从前向后迭代;否则就会从后向前迭代。

链表不能向数组一样可以随机访问,只能通过 foreach 循环或 Iterator 的方式获取。

ArrayList 与 LinkedList 区别?

1.ArrayList 和 LinkedList 都是不同步的,也就是不保证线程安全。
2.ArrayList 底层适用数组,LinkedList 底层适用双向链表。
3.LinkedList 不支持高效的随机元素访问,而 ArrayList 支持。快速随机访问就是通过元素的序号快速获取元素对象(对应于 get(int) 方法)。
4.ArrayList 采用数组存储,所以插入和删除元素的时间复杂度受元素位置的影响;LinkedList 采用链表存储,所以如果是在头尾插入或者删除元素不受元素位置的影响。

ConcurrentHashMap

ConcurrentHashMap 就是一个线程安全的 HashMap,在 JDK 1.8 中取消了分段锁,而采用 Node + CAS + Synchronized 来保证线程安全。

HashTable 是在方法上使用 synchronized 关键字;HashMap 可以使用 Collections.synchronizedMap 进行包装,包装后也是使用 synchronized 关键字。

ConcurrentHashMap 的数据结构

在 JDK1.8 中,ConcurrentHashMap 采用数组+链表+红黑树的方式来实现数据存储,如下图:

Java集合.drawio.png

在 JDK 1.8 中 ConcurrentHashMap 的数据结构和 HashMap 的数据结构是一样的,区别就是 HashMap 是非线程安全的。

在 JDK 1.7 中的数据结构是 数组+链表。

扩容还是转化为红黑树

当链表长度大于或者等于 8 时,ConcurrentHashMap 认为链表已经有点长了,需要考虑优化,有两种方式:

  • 当数组长度大于等于 64,并且链表长度也大于等于 8 的时候,就会把链表转化为红黑树;当不满足的时候还会再转换为链表。
  • 当数组长度小于 64,并且链表长度大于等于 8 的时候,会对数组进行扩容。

使用红黑树代替链表是为了加快,查找、插入和删除操作。

如何解决冲突

插入数据的时候会先获取 Key 的 hash 值,再计算出数组的下标。

  • 没有哈希冲突,就直接放到数组中。
  • 有哈希冲突,就会将下标对应的位置转换为链表,并追加到这个链表的后面。

因为 hashCode 相同,但是值不一定是相等(equals 方法比较)。

为什么负载因子是 0.75

负载因子决定了 HashMap 什么时候进行扩容,默认情况下是存储了 12(16 * 0.75 = 12)个元素后,就会自动扩容,扩容为原来容量的两倍。

ConcurrentHashMap 的负载因子不允许修改。

0.75 就是为了平衡空间利用率和时间效率:

  • 就是说数组长度越长,发生哈希冲突的几率就越小,就导致了元素都分布在数组上,会提高查询、添加、删除的效率;但是有可能导致数组没有被占满,也就是浪费了一些内存。
    假设负载因子为 0.25,当存储了 4 个元素的时候就会进行扩容。

  • 相反的,数组越短,发生哈希冲突的几率就越大,就会导致链表过长,会降低查询、添加、删除的效率;但是不会浪费内存。
    假设负载因子为 1,当存储了 16 个元素的时候才会进行扩容。

参考资料

Java开发手册(泰山版)灵魂13问.pdf

标签:Java,ArrayList,元素,链表,数组,集合,下标,节点
From: https://www.cnblogs.com/jnyyxz/p/17623451.html

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