Java的数据结构和算法

Java的数据结构

一、Collection

Collection接口有List和Set两个子接口。

1、List

• ArrayList
  • 底层动态数据结构，可存储重复元素，存储有序。
  • 线程不安全的，效率高。
  • 初始化一个ArrayList时，不指定容量，默认会创建一个容量10的数组。随着添加元素，达到数组容量上限时，可自动扩容一倍的容量。
  • 查询快，增删慢。底层动态数组，数组的元素在内存中地址是连续的。查询时可直接通过数组索引找到结果。增删时，由于是对数组操作，每增加或删除元素，数组内所有的元素内存地址都会变动，会比较慢。
• LinkedList
  • 底层双向链表数据结构，可存储重复元素，存储有序。
  • 链表上的节点是一个Node，Node中item是当前节点的值，prev指向上一节点，next指向下一节点。
  • 查询慢，增删快。因为LindedList底层实现是链表，链表的每个节点在内存中的存储地址是随机非连续的，节点除了记录自己的值还要记录下一个节点甚至上一个节点的指针。查询时只能遍历链表，equals比较值，找到结果，会比较慢。增加元素，只需要在链表末尾新增一个节点，并将上一个节点的next指针指向新增的节点即可。删除元素，先遍历链表插到要删除的节点，然后置空此节点，将前后节点的指针关联起来。
• Vector
  • 和ArrayList特性基本相似，线程安全的，效率低。
  • 还有个子类Stack，一般可用于栈的管理。push方法添加一个对象到栈顶，pop方法弹出栈顶的对象，peek方法查看栈顶的对象。

2、Set

• HashSet
  • 基于HashMap实现，HashSet的值就是HashMap的key，value是PRESENT对象。
  • 不可存储重复元素，存储无序。
• TreeSet
  • 底层红黑树数据结构。
  • 不可存储重复元素，存储有序。有基于元素key的高效排序算法，存储顺序从小到大。

二、Map

• HashMap
  • 线程不安全的，效率略高，集中了ArrayList和LinkedList的优点。
  • 存储无需，key值唯一，可存储一组null。
  • HashMap底层是一个hash表，元素为单项链表的数组，jdk1.8之前数据的元素是链表，jdk1.8之后，若链表长度达到8时，则会将链表置换为红黑树。
  • 初始化HashMap时，若不传入容量，默认会生成长度16，加载因子0.75的数组。随着数组存储长度达到16*0.75时，会自动扩容一倍的容量。
  • HashMap中，是以键值对的形式存储，通过key的hashcode值，决定该组键值对在数组的具体位置，然后找到对应的单链表。每组键值对，jdk1.8之前封装成Entry，jdk1.8之后封装成了Node，Node中包含key的hash值，key值，value值，下一个节点的指针。
  • HashMap当put键值对时，首先算出key的hashcode值，去遍历数组找对应的下标，找不到，则会在数组末尾添加一组，保存该节点。找到了对应下标后，则会遍历这个位置的链表，根据key值判断是否已有节点，有的话直接用新值覆盖掉旧值，若没有节点，在链表的末尾保存该节点。
  • 之所以使用单链表存储，是因为存储的键值对越来越多，就有可能出现key生成的hashcode一样，造成hash冲突，此时，即可把新添加的键值对存在这个数组位置对应的单链表内。单链表里的每个节点，key的hashcode是相同的，但是key值不同，他们在数组的同一个索引位置。
• TreeMap
  • 有序的key-value集合，基于红黑树实现，不能存储null。
  • 线程不安全的。
• Hashtable
  • 和HashMap功能基本相似。
  • 但线程安全的，效率低。

Java基本算法、排序方式

• 选择排序：双重for循环，每一趟排序获取最小数，依次将最小数的位置放在已排好序的序列最后。

int[] arr = {6, 4, 9, 1, 5, 3};
for(int i = 0; i < arr.length - 1; i++) {
    int k = i;
    for(int j = k + 1; j < arr.length; j++) { // 选最小的值
        if(arr[j] < arr[k]) { 
            k = j; // 记下目前找到的最小值所在的位置
        }
    }
    // 找到本轮循环的最小的数以后，再进行交换
    if(i != k) { // 交换a[i]和a[k]
        int temp = arr[i];
        arr[i] = arr[k];
        arr[k] = temp;
    }
}

• 冒泡排序：双重for循环，依次比较相邻的两个元素，将小数放在前面，大数放在后面。

int[] arr = {6, 4, 9, 1, 5, 3};
int temp;
for(int i = 0; i < arr.length - 1; i++) { // 外层循环控制排序趟数
    for(int j = 0; j < arr.length - i - 1; j++) { // 内层循环控制每一趟排序多少次，每一次循环把大数滚到队列末尾
        if(arr[j + 1] < arr[j]) {
            temp = arr[j];
            arr[j] = arr[j + 1];
            arr[j + 1] = temp;
        }
    }
}

• 快速排序：选择一个关键值作为基准值。比基准值小的都在左边序列，比基准值大的都在右边序列。时间复杂度为O(NlogN)。

public static int[] quickStore(int[] array, int l, int r) {
    if (l < r) {
        int i = l;
        int j = r;
        int x = array[l];
        while (i < j) {
            while (i < j && array[j] >= x) {
                // 从右向左找第一个小于x的数
                j--;
            }
            if (i < j) {
                array[i++] = array[j];
            }
            while (i < j && array[i] < x) { // 从左向右找第一个大于等于x的数
                i++;
            }
            if (i < j) {
                array[j--] = array[i];
            }
        }
        array[i] = x;
        quickStore(array, l, i - 1);
        quickStore(array, i + 1, r);
    }
    return array;
}

• 二分查找法：对有序数列查找，查找时，先以有序数列的中点位置为比较对象，如果要找的元素值小于该中点元素，则将待查序列缩小为左半部分，否则为右半部分。通过一次比较，将查找区间缩小一半。如此递归执行，直至查找到对象。

// 二分查找递归实现   
public static int binSearch(int array[], int start, int end, int key) {  
    int mid = (end - start) / 2 + start;
    if (array[mid] == key) {
        return mid;
    }
    if (start >= end) {
        return -1;
    } else if (key > array[mid]) {
        return binSearch(array, mid + 1, end, key);
    } else if (key < array[mid]) {
        return binSearch(array, start, mid - 1, key);
    }
    return -1; 
}

// 二分查找普通循环实现   
public static int binSearch(int array[], int key) {
    int mid = array.length / 2;   
    if (key == array[mid]) {
        return mid;
    }

    int start = 0;
    int end = array.length - 1;
    while (start <= end) {
        mid = (end - start) / 2 + start;
        if (key < array[mid]) {
           end = mid - 1;
        } else if (key > array[mid]) {
            start = mid + 1;
        } else {
            return mid;
        }
    }
    return -1;
}