Java语言的数据结构

Java 提供了多种内置的数据结构，这些数据结构可以分为两大类：基本的数组（Array）和集合框架（Collections Framework）。集合框架又细分为多个接口和实现类，提供了丰富的功能来管理对象集合。以下是 Java 中常见数据结构的详细介绍：

1. 数组（Array）

• 一维数组：最简单的数据结构，用于存储固定大小的同类型元素。
• 多维数组：如二维数组、三维数组等，它们本质上是一维数组的嵌套。

// 一维数组
int[] numbers = {1, 2, 3, 4, 5};

// 二维数组
int[][] matrix = {
    {1, 2, 3},
    {4, 5, 6}
};

数组的大小在创建时确定，之后不能改变。如果需要动态调整大小，可以考虑使用 ArrayList 或其他集合类。

2. 集合框架（Collections Framework）

2.1 List 接口

List 是一个有序集合，允许重复元素，并且可以通过索引访问元素。常见的实现类包括：

• ArrayList：基于数组实现，支持快速随机访问，但在中间插入或删除元素效率较低。
• LinkedList：基于双向链表实现，适合频繁的插入和删除操作，但随机访问效率低。
• Vector：类似于 ArrayList，但它是线程安全的，性能相对较差。
• Stack：继承自 Vector，实现了栈（后进先出）的行为。

List list = new ArrayList<>();
list.add("Apple");
list.add("Banana");

2.2 Set 接口

Set 是一个不允许重复元素的集合。常见的实现类包括：

• HashSet：基于哈希表实现，提供快速查找、添加和删除操作。
• LinkedHashSet：保持插入顺序的 HashSet。
• TreeSet：基于红黑树实现，自然排序或根据提供的 Comparator 排序。

Set set = new HashSet<>();
set.add("Apple");
set.add("Banana");

2.3 Queue 接口

Queue 是一个先进先出（FIFO）的数据结构，也支持优先级队列。常见的实现类包括：

• LinkedList：除了作为 List 的实现外，也可以作为 Queue 使用。
• PriorityQueue：基于堆实现，可以根据元素的自然顺序或指定的 Comparator 进行排序。

Queue queue = new LinkedList<>();
queue.offer("Apple");
String element = queue.poll(); // 移除并返回队首元素

2.4 Deque 接口

Deque（双端队列）允许从两端进行插入和移除操作。常见的实现类包括：

• ArrayDeque：基于数组实现的双端队列。
• LinkedList：同样可以作为 Deque 使用。

Deque deque = new ArrayDeque<>();
deque.offerFirst("Apple");
deque.offerLast("Banana");

2.5 Map 接口

Map 存储键值对，每个键对应一个值，键是唯一的。常见的实现类包括：

• HashMap：基于哈希表实现，提供快速的查找、添加和删除操作。
• LinkedHashMap：保持插入顺序的 HashMap。
• TreeMap：基于红黑树实现，按键的自然顺序或指定的 Comparator 排序。
• Hashtable：类似于 HashMap，但它是线程安全的，性能相对较差。
• EnumMap：专门用于枚举类型的键。

Map map = new HashMap<>();
map.put("Apple", 1);
Integer count = map.get("Apple");

3. 其他数据结构

3.1 Stack 接口（已废弃）

虽然 Java 提供了 Stack 类，但它已经被认为过时，推荐使用 Deque 接口及其实现类来代替。

3.2 BitSet

BitSet 是一个位向量，每个位代表一个布尔值（true 或 false）。适用于需要高效处理大量布尔标志的情况。

BitSet bitSet = new BitSet();
bitSet.set(0); // 设置第0位为true
boolean isSet = bitSet.get(0); // 获取第0位的值

3.3 PriorityQueue

PriorityQueue 是一个优先级队列，它确保每次取出的都是队列中最小（或最大）的元素。适用于需要按优先级处理任务的场景。

PriorityQueue pq = new PriorityQueue<>();
pq.offer(10);
pq.offer(5);
pq.offer(7);
Integer min = pq.poll(); // 取出最小元素

性能特点与选择建议

• ArrayList vs LinkedList：如果你经常需要随机访问元素，选择 ArrayList；如果你频繁地在列表中间插入或删除元素，选择 LinkedList。
• HashSet vs TreeSet：如果你不需要排序，选择 HashSet；如果你需要自然排序或自定义排序，选择 TreeSet。
• HashMap vs TreeMap：如果你不需要按键排序，选择 HashMap；如果你需要按键排序，选择 TreeMap。
• Thread Safety：如果你的应用是多线程的，并且需要保证线程安全，可以选择 Vector、Hashtable 或者使用 Collections.synchronizedXXX 方法包装非线程安全的集合类。对于更复杂的并发需求，可以考虑使用并发包（java.util.concurrent）中的类，如 ConcurrentHashMap 和 CopyOnWriteArrayList。

总结

Java 的数据结构丰富多样，每种结构都有其适用的场景。选择合适的数据结构不仅可以提高代码的可读性和维护性，还能显著提升程序的性能。理解不同数据结构的特点和差异，有助于编写更高效的 Java 程序。