Java笔记之容器

本笔记来自计算机程序的思维逻辑系列文章

ArrayList

内部组成

Object[] elementData，动态数组，存放数据
int size，记录实际元素个数
int modCount，记录修改次数
int DEFAULT_CAPACITY，数组初始化默认分配空间为 10

可迭代接口

Iterable 表示可迭代；
iterator()返回一个实现了Iterator接口的对象

public interface Iterable {
    Iterator iterator();
}

迭代器接口

public interface Iterator {
    boolean hasNext();
    E next();
    void remove();
}

ListIterator

扩展了Iterator接口，增加向前遍历，返回索引，添加元素，修改元素等

迭代中删除元素

使用迭代器遍历，调用迭代器的remove方法进行删除

必须先调用next()，使cursor指向该元素再进行删除

实现接口

ArrayList实现了Collection RandomAccess List

Collection表示数据集合，数据间没有位置或顺序的概念
RandomAccess表示可以随机访问
List表示有顺序或位置的数据集合

LinkedList

内部组成

由长度、头节点和尾节点组成双向链表

节点

private static class Node {
    E item;
    Node prev;
    Node next;
    
    Node(Node prev, E element, Node next) {
        this.item = element;
        this.prev = prev;
        this.next = next;
    }
}

特点

按需分配内存
不可以随机访问，按照索引访问效率比较低，从头或尾顺着链表找，效率为O(N/2)
按照内容查找，效率为O(N)
在两端添加或删除元素，效率为O(1)
在中间插入，删除元素，需定位，效率为O(N)，修改本身效率为O(1)

实现接口

实现了List Queue Deque接口

队列 Queue

特点

先进先出

方法

add offer element peek remove poll

注意

队列为空时，element和remove会抛异常，而peek和poll会返回null
队列为满时，add会抛异常，而offer会返回false

栈 Stack

特点

先进后出

方法

push peek pop

注意

栈为空时，pop会抛异常，peek返回null
栈为满时，push会抛异常

双端队列 Deque

特点

扩展了Queue，包含栈的操作方法，额外添加其他方法

方法

addFirst addLast getFirst getLast removeFirst removeLast offerFirst offerLast peekFirst peekLast pollFirst pollLast

注意

队列为空时，get和remove会抛异常，peek和poll会返回null
队列为满时，add会抛异常，offer会返回false

迭代器descendingIterator，从后往前遍历

HashMap

键值对结构，一个键映射一个值；键不能重复，即对同一个键重复操作会覆盖原来的值

内部组成

Node[] table，初始化为空数组
Set> entrySet，键值对集合
int size，实际键值对的个数
int modCount，记录修改次数
int threshold，阈值，当键值对个数大于该值时才进行扩展，threshold = table.length * loadFactor
float loadFactor，负载因子，表示table被占用的程度，默认为 0.75

Map.Entry

interface Entry {
    K getKey();
    V getValue();
    V setValue(V value);
}

HashMap.Node

内部类，HashMap的核心元素

static class Node implements Map.Entry {
    final int hash;
    final K key;
    V value;
    Node next;
    
    Node(int hash, K key, V value, Node next) {
        this.hash = hash;
        this.key = key;
        this.value = value;
        this.next = next;
    }
}

保存键值对

如果为空数组，则初始化，默认长度为 16
计算key的hash值
再计算其存储位置
再判断该位置是否有值
- 有则判断key是否一样，是则修改其value并返回oldValue
- 没有则直接插入该链表头部，返回null

HashSet

没有重复元素，无序的集合

内部组成

HashMap map，使用map的key来存储元素
Object PRESENT，map的固定value

排序二叉树

特点

没有重复元素，有序
如果左子树不为空，则左子树所有节点都小于该节点
如果右子树不为空，则右子树所有节点都大于该节点

查找

跟根节点比较，相同则找到
小于根节点，则到左子树递归查找
大于根节点，则到右子树递归查找

最值

最左边是最小值，最右边是最大值

遍历

递归

访问左子树，访问当前节点，访问右子树

不递归

先找到最左边节点，然后依次找后继节点

后继节点查找方式

如果该节点有右孩子，则后继节点为右子树中最小的节点
如果该节点没有右孩子，则后继节点为父节点或某个祖先节点
- 从当前节点往上找，如果它是父节点的右孩子，则继续找父节点
- 直到它不是右孩子或父节点为空，第一个非右孩子节点的父节点就是后继节点
- 如果找不到，则后继节点为空，遍历结束

插入

首先查找插入位置，即插入节点的父节点，从根节点开始找
- 与当前节点相同，说明已存在，不能再插入
- 小于当前节点，则到左子树查找，如果左子树为空，则当前节点为插入节点的父节点
- 大于当前节点，则到右子树查找，如果右子树为空，则当前节点为插入节点的父节点
找到父节点后，如果插入元素小于父节点，则作为左孩子插入，反之作为右孩子插入

删除

节点为叶子节点
- 即没有孩子，直接删除，修改父节点的对应孩子为空
节点只有一个孩子
- 替换待删节点为孩子节点
节点有两个孩子
- 先找到该节点的后继节点（该节点为右子树的最小节点，没有左孩子），找到后，替换待删节点为后继节点，再删除后继节点（节点只有一个孩子的情况）

平衡二叉树

节点分布比较均匀，即为平衡

AVL树

任何节点的左右子树的高度差最多为一
实现方法：在每次的插入和删除操作时，通过一次或多次的旋转操作来重新平衡树

TreeMap

有序的Map

构造方法

空构造，要求Map中的键实现Comparable接口
带Comparator参数的构造，传入一个comparator对象，TreeMap内部会用它比较元素

内部组成

Comparator comparator，没传则为null
Entry root，指向根节点
int size，记录元素个数
int modCount，记录修改次数

SortedMap 接口

public interface SortedMap extends Map {
    Comparator comparator();
    SortedMap subMap(K fromKey, K toKey);
    SortedMap headMap(K toKey);
    SortedMap tailMap(K fromKey);
    K firstKey();
    K lastKey();
    Set keySet();
    Collection values();
    Set> entrySet();
}

NavigableMap 接口

public interface NavigableMap extends SortedMap {
    Map.Entry lowerEntry(K key);
    K lowerKey(K key);
    Map.Entry floorEntry(K key);
    K floorKey(K key);
    Map.Entry ceilingEntry(K key);
    K ceilingKey(K key);
    Map.Entry higherEntry(K key);
    K higherKey(K key);
    Map.Entry firstEntry();
    Map.Entry lastEntry();
    Map.Entry pollFirstEntry();
    Map.Entry pollLastEntry();
    NavigableMap descendingMap();
    NavigableSet navigableKeySet();
    NavigableSet descendingKeySet();
    NavigableMap subMap(K fromKey, boolean fromInclusive,
                             K toKey,   boolean toInclusive);
    NavigableMap headMap(K toKey, boolean inclusive);
    NavigableMap tailMap(K fromKey, boolean inclusive);
}

TreeMap.Entry

static final class Entry implements Map.Entry {
    K key;
    V value;
    Entry left;
    Entry right;
    Entry parent;
    boolean color = BLACK;
    
    Entry(K key, V value, Entry parent) {
        this.key = key;
        this.value = value;
        this.parent = parent;
    }
}

TreeSet

构造方法

空构造，要求元素实现Comparable接口
带Comparator参数的构造，内部使用它比较元素

内部组成

NavigableMap m，同HashSet，使用map的key存储元素
Object PRESENT，同HashSet，固定的value

内部操作

都是调用内部变量m的对应方法

堆

概念上是完全二叉树，使用数组进行物理存储

满二叉树

除最后一层外，每个节点都有两个孩子，最后一层都是叶子节点，没有孩子

完全二叉树

不要求最后一层是满的，但如果不满，要求所有节点必须集中在最左边，从左到右是连续的，中间不能有空的

特点：在完全二叉树中，可以给每个节点一个编号，编号从1开始递增，从上到下，从左到右；当给定任意一个节点的编号，可以快速计算出其父节点和孩子节点编号

这个特点使得逻辑概念上的二叉树可以方便的存储到数组中

最大堆最小堆

与排序二叉树不同，在堆中，可以有重复元素，元素间不是完全有序的，父子节点之间有一定的顺序要求

算法（最小堆）

添加元素

log2(N) siftup

添加元素到最后位置
与父节点比较，如果大于等于父节点，则满足堆的性质，结束
否则与父节点交换，再与父节点比较，直到父节点为空或大于等于父节点

从头部删除元素

log2(N) siftdown

用最后一个元素替换头部元素，并删除最后一个元素
将新的头部元素与俩孩子节点中较小的的比较，如果不大于该孩子节点，则满足堆的性质，结束
否则与该孩子节点交换，再与较小的孩子节点比较，直到没有孩子或者不大于两个孩子

从中间删除元素

还是用最后一个元素替换头部元素，并删除最后一个元素
然后判断，如果该元素大于某个孩子节点，则需向下调整，如果小于父节点，则需向上调整

构建初始堆

O(N) heapify

从最后一个非叶子节点开始，一直往前直到根，对每个节点，执行向下调整

查找和遍历

O(N)

就是数组的查找和遍历

PriorityQueue

有优先级的队列

特点

长度没有限制，默认为 11
元素有优先级，队头的元素永远是优先级最高的
内部元素不是完全有序的，逐个出队会得到有序的输出
与TreeMap TreeSet类似，要么元素实现Comparable接口，要么传入一个Comparator比较器

内部组成

Object[] queue，存储元素的数组
int size，记录元素个数
Comparator comparator，比较器
int modCount，记录修改次数

ArrayDeque

使用数组存储的双端队列

内部组成

Object[] elements，存储元素的数组
int head，头部元素索引
int tail，尾部元素索引

循环数组

如果head和tail相同，则数组为空，长度为 0
如果tail大于head，则第一个元素为elements[head]，最后一个元素为elements[tail - 1]，长度为tail - head，元素索引从head到tail - 1
如果tail小于head，且为 0 ，则第一个元素为elements[head]，最后一个元素为elements[elements.length - 1]，元素索引从head到elements.length - 1
如果tail小于head，且大于 0 ，则会形成循环，第一个元素为elements[head]，最后一个元素为elements[tail - 1]，元素索引从head到elements.length - 1，然后再从0到tail - 1

内部实现

数组的长度要严格大于实际存储元素的个数，为了让head或tail指向下一个空位
数组长度为 2 的幂次方，方便计算
计算方式
- 下一个位置：(tail + 1) & (elements.length - 1)
- 上一个位置：(head - 1) & (elements.length - 1)

LinkedHashMap

特点

支持两种顺序：插入顺序和访问顺序

内部组成

LinkedHashMap.Entry head，双向链表的头
LinkedHashMap.Entry tail，双向链表的尾
boolean accessOrder，是否按访问顺序的标志

LinkedHashMap.Entry

before：前一个节点
after：后一个节点

static class Entry extends HashMap.Node {
    Entry before, after;
    
    Entry(int hash, K key, V value, Node next) {
        super(hash, key, value, next);
    }
}

访问顺序

访问指get put操作，对一个键执行get put操作后，其对应的键值对会移到链表末尾

构造方法

只有一个构造方法可以指定按访问顺序

public LinkedHashMap(int initialCapacity,
                     float loadFactor,
                     boolean accessOrder) {
    super(initialCapacity, loadFactor);
    this.accessOrder = accessOrder;
}

用途

用于实现缓存，比如 LRU缓存

如果缓存满了，当需要存储新数据时，就需要一定的策略将一些老的数据清理，这个策略称为 替换算法

EnumMap

内部组成

Class keyType，key的类型
K[] keyUniverse，存储所有key
Object[] vals，存储所有的value
int size，记录元素个数

实现原理

内部维护两个数组，长度相等，一个表示所有的键，一个表示对应的值，值为null表示没有该键值对，键都有一个对应的索引ordinal，根据索引可以很方便访问键和值

EnumSet

抽象类，如果枚举个数小于 64 ，则静态工厂方法创建的就是 RegularEnumSet，大于则是JumboEnumSet

内部组成

Class elementType，元素类型
Enum[] universe，存储所有枚举值

RegularEnumSet

元素个数在 64 以内的集合

long elements，位向量，使用一个long类型的变量存储所有元素
int size()，返回元素个数，方法实现：Long.bitCount(elements);

用一个位表示一个元素的状态，用一组位表示一个集合的状态，每个位对应一个元素，而状态只可能有两种

JumboEnumSet

元素个数在 64 以上的集合

long elements[]，使用long数组存储所有元素
int size，记录元素个数

内部操作

都是利用位运算来实现的
根据枚举值找到索引，对对应的位进行位或，位与，取反操作

容器类

接口

Collection
List
Map
Set
Queue
Deque

抽象类

AbstractCollection
AbstractList
AbstractMap
AbstractSet
AbstractQueue
AbstractSequentialList

AbstractList 与 AbstractSequentialList 对比

AbstractList需要具体子类重写根据索引操作的方法get set add remove，它提供了迭代器，但迭代器是基于这些方法实现的；它假定子类可以高效的根据索引位置进行操作，适用于内部是随机访问类型的存储结构（如数组），比如ArrayList就继承自AbstractList
AbstractSequentialList需要具体子类重写迭代器，它提供了根据索引操作的方法get set add remove，但这些方法是基于迭代器实现的；它适用于内部是顺序访问类型的存储结构（如链表），比如LinkedList就继承自AbstractSequentialList

操作

查找

利用迭代器遍历进行查找

二分查找

要求List的每个元素实现Comparable接口或提供一个Comparator
如果List可以随机访问，即实现RandomAccess接口，或者元素个数比较少，则直接使用索引访问中间元素进行查找；否则使用迭代器的方式访问中间元素进行查找

查找元素出现个数

frequency方法

查看两个集合是否有交集

disjoint方法

排序

先将List元素拷贝到一个数组中，然后使用Arrays.sort方法，排序后，再拷贝回List

交换元素位置

list.set(i, list.set(j, list.get(i)))

翻转列表顺序

如果List可以随机访问，将第一个和最后一个交换，第二个和倒数第二个交换，依此类推，直到中间两个元素交换完毕；否则，使用一前一后两个listIterator定位待交换的元素

随机化重排

如果List可以随机访问，从后往前遍历列表，逐个给每个位置重新赋值，值从前面未重新赋值的元素中随机选取；否则，先将List拷贝到一个数组中，重排后再拷贝回List

循环移位

使用rotate(list, distance)方法
distance：正数表示右移，负数表示左移
可以看作列表的两个子列表进行顺序交换
根据列表长度和移位个数，计算出两个子列表的分割点，然后通过三次翻转得到最终结果

Java笔记之容器

ArrayList

内部组成

可迭代接口

迭代器接口

ListIterator

迭代中删除元素

实现接口

LinkedList

内部组成

节点

特点

实现接口

队列 Queue

特点

方法

注意

栈 Stack

特点

方法

注意

双端队列 Deque

特点

方法

注意

HashMap

内部组成

Map.Entry

HashMap.Node

保存键值对

HashSet

内部组成

排序二叉树

特点

查找

最值

遍历

递归

不递归

后继节点查找方式

插入

删除

平衡二叉树

AVL树

TreeMap

构造方法

内部组成

SortedMap 接口

NavigableMap 接口

TreeMap.Entry

TreeSet

构造方法

内部组成

内部操作

堆

满二叉树

完全二叉树

最大堆 最小堆

算法（最小堆）

添加元素

从头部删除元素

从中间删除元素

构建初始堆

查找和遍历

PriorityQueue

特点

内部组成

ArrayDeque

内部组成

循环数组

内部实现

LinkedHashMap

特点

内部组成

LinkedHashMap.Entry

访问顺序

构造方法

用途

EnumMap

内部组成

最大堆最小堆