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数据结构与算法之数组、链表和哈希表的Java实现

靠谱杨 2022-9-12 4 9/12

1、数组

类型固定、长度固定

连续的内存空间

顺序存储、随机读取

查询快、新增删除慢。最好初始化的时候就指定数组大小。这样就可以避免一定的数组扩容出现的内存消耗。


import java.util.Arrays;
import java.util.Iterator;

/**
 * @author Administrator
 * @date 2022-09-11 16:56
 * 实现一个数组
 */
public class MyArray<E> implements Iterable<E> {

    private Object[] elementData;   // Object存放数据

    public MyArray(int capacity)    // 构造方法 初始化容量大小
    {
        // 指定长度 初始化数组 new 出一块空间
        elementData = new Object[capacity];
    }

    /**
     * 直接添加新元素
     * @param element
     * @return
     */
    public boolean add (E element)
    {
        int size = elementData.length;  // 获取当前数组大小
        int newCapacity = size+1;   // 扩容+1
        // 此处发生性能消耗,新增数据时,需要扩容,整体数据需要复制迁移,实际上arraylist是1.5扩容!
        elementData = Arrays.copyOf(elementData,newCapacity); // 把旧的空间复制一份到新的空间并+1
        elementData[size]=element;
        return true;
    }

    /**
     * set 方法 根据索引位置新增元素
     * @param index
     * @param element
     * @return
     */
    public E set (int index ,E element)
    {
        E oldValue = (E) elementData[index];    // 获取旧位置的元素值
        elementData[index] = element;           // 新值覆盖旧值
        return oldValue;          // 返回旧值

    }
    public E get (int index)
    {
        return (E) elementData[index]; // 返回对应索引位置的值
    }

    @Override
    public Iterator<E> iterator(){
        return new MyIterator();
    }

    class MyIterator implements Iterator<E>{
        int index = 0;
        @Override
        public boolean hasNext() {
            return index != elementData.length;
        }

        @Override
        public E next() {
            return (E) elementData[index++];    // 返回下一个元素值并+1
        }

        @Override
        public void remove() {
            //
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        MyArray<String> myArray= new MyArray<String>(10);   // 初始化一个容量为10的数组
        myArray.set(0,"q");
        myArray.set(2,"w");
        myArray.add("新增");
        Iterator<String> iterator = myArray.iterator();     // 使用迭代器
        while (iterator.hasNext()){
            System.out.println(iterator.next());
        }
    }
}

数据结构与算法之数组、链表和哈希表的Java实现

1.1、关于arraylist初始容量和扩容

ArrayList 新增元素的方法有两种,一种是直接将元素加到数组的末尾,另外一种是添加元素到任意位置。

arraylist默认构造器,在不指定大小的时候默认容量为 ==10==。

在超出容量之后,每次扩容为==当前容量大小的1.5倍+1==。

1.2、关于迭代器

集合的顶层接口Collection继承Iterable接口。在Iterable接口中有一个Iterator方法,它返回一个Itertator对象

public interface Iterable<T> {
    /**
     * Returns an iterator over elements of type {@code T}.
     *
     * @return an Iterator.
     */
    Iterator<T> iterator();
}
public interface Iterator<E> {
    boolean hasNext();

    E next();

    default void remove() {
        throw new UnsupportedOperationException("remove");
    }
}

迭代器遍历中调用集合revome()方法触发异常 java.util.ConcurrentModificationException 集合中并发修改的异常.

因为迭代器只负责遍历,它使用的仍然是集合本身的数据,在List集合实现的时候数组的长度size会因为remove发生变化的,同时元素的索引值也会因为remove( )方法的调用而发生变化。那么在遍历的时候的remove就需要对这个点进行复刻,而且如果在迭代器里使用了List原生的remove方法,那么就会引起数值不同步的问题。

ArrayList集合的iterator()方法中,是通过返回Itr对象来获得迭代器的。ItrArrayList的一个内部类,它实现了Iterator接口,代码如下:

   private class Itr implements Iterator<E> {
        int cursor;       // index of next element to return
        int lastRet = -1; // index of last element returned; -1 if no such
        int expectedModCount = modCount;

        Itr() {}

        public boolean hasNext() {
            return cursor != size;
        }

        @SuppressWarnings("unchecked")
        public E next() {
            checkForComodification();
            int i = cursor;
            if (i >= size)
                throw new NoSuchElementException();
            Object[] elementData = ArrayList.this.elementData;
            if (i >= elementData.length)
                throw new ConcurrentModificationException();
            cursor = i + 1;
            return (E) elementData[lastRet = i];
        }

        public void remove() {
            if (lastRet < 0)
                throw new IllegalStateException();
            checkForComodification();

            try {
                ArrayList.this.remove(lastRet);
                cursor = lastRet;
                lastRet = -1;
                expectedModCount = modCount;
            } catch (IndexOutOfBoundsException ex) {
                throw new ConcurrentModificationException();
            }
        }

注意以下的三个属性:

cursor 索引下标,表示下一个可以访问的元素的索引,默认值为 0
lastRet 索引下标,表示上一个元素的索引,默认值为 -1
expectedModCount 对集合修改的次数,初始值为 0

我们知道:List的add和remove调用会增加modCount的值。也就是这两个操作会被计入对集合的修改次数。

在迭代器的源码中,有一个方法是用来判断 modCount 和 expectModCount 的值是否相等的,其中modCount的值来自List,expectModCount 是迭代器内定义的变量。那为什么要这么设计呢?

==因为arraylist是线程不安全的。==

结合iterrator的next方法,我们可以看到,如果没有这个校验某个线程删除了list的一个元素,此时next方法不知道size变更了,依然去取数组里的数据,会导致数据为null或ArrayIndexOutOfBoundsException异常等问题。

ConcurrentModificationException发生在Iterator( )和next( )方法实现中,每次调用都会检查容器的结构是否发生变化,目的是为了避免共享资源而引发的潜在问题。

观察HashMap和ArrayList底层Iterator#next(), 可以看到fast-fail只会增加或者删除(非Iterator#remove())抛出异常;改变容器中元素的内容不存在这个问题(主要是modCount没发生变化)。

在单线程中使用迭代器,对非线程安全的容器,但是只能用Iterator和remove;否则会抛出异常。

在多线程中使用迭代器,可以使用线程安全的容器来避免异常。

使用普通的for循环遍历,效率虽然比较低下,但是不存在ConcurrentModificationException异常问题,用的也比较少。

所以说如果在使用迭代器的时候,用到了List自带的remove方法,那么modCount改变了,但是迭代器内定义的变量expectedCount却没有改变,这样就会被抛出异常。

综上:我们在使用迭代器的时候,不要混用List本身的remove方法。

Iterator接口有四个方法,hasNext、next、remove和forEachRemaining

其中forEachRemaining是java1.8新增的

这个方法是针对集合中剩余元素的操作

剩余的含义是没有被iterator.next()遍历过的元素


1.3、为什么迭代器在调用remove之前要先调用next

当使用Iterator迭代访问Collection集合元素时,Collection集合里的元素不能被改变,只有通过Iterator的remove()方法删除上一次next()方法返回的集合元素才可以;否则会引发java.util.ConcurrentModificationException异常。

查看next方法的源码可以看到 return (E) elementData[lastRet = i];这样一行代码,这行代码表示next方法在让数组下标cursor向后移动一位的同时,还会把lastRet的值变成当前返回的元素下标,这样remove方法就可以根据这个下标完成对元素的删除。

2、哈希表

2.1、哈希冲突

冲突位置,把数据构建为链表结构。

装载因子=哈希表中的元素个数 / (散列表)哈希表的长度

装载因子越大,说明链表越长,性能就越低,那么哈希表就需要扩容,把数据迁移到新的哈希表中!

数据会经过两层比较:

一个是对哈希值的比较 使用hashcode()方法

另一个是对key值的比较,使用equals()方法

如果两个对象相同,hashcode一定相同。
但是hashcode相同,两个对象不一定相同。

==哈希冲突是指,不同的key经由哈希函数,映射到了相同的位置上,造成的冲突。==

/**
 * @author Administrator
 * @date 2022-09-09 14:28
 */
public class MyHashTable<K,V> {
    private Node<K, V>[] table;    // 实例化一个Node数组 Node数组本身又是个链表

    private static class Node<K,V>{
        final int hash; //hash值
        final K key;    
        V value;
        Node<K,V> next; //下一个节点 kv对

        public Node(int hash, K key, V value, Node<K, V> next) {
            this.hash = hash;
            this.key = key;
            this.value = value;
            this.next = next;
        }
    }

    public MyHashTable(int capacity) {
        table = (Node<K,V>[]) new Node[capacity];
    }
    public void put (K key,V value){
        // 1. 计算哈希值
        int hash = hash(key);
        // 2. 计算数组的索引值
        int i = (table.length-1) & hash;
        // 3. 把当前的kv对 存到Node里
        Node<K,V> node = new Node (hash,key,value,null);
        // 4. 根据索引下标 拿到目前table里的数据 然后进行对比
        Node<K,V> kvNode = table[i];

        if(kvNode == null ){
            // 如果为空 则说明当前位置没有数据 可以直接存
            table[i] = node;
            return;
        }
        // 如果有值 就去看 key是否一样
        if(kvNode.key.equals(key))
        {
            //  如果一样 就覆盖
            kvNode.value = value;
        }
        else{
            // 如果不一样就用链表存起来
            kvNode.next = node;
        }
    }
    public V get (K key){
        int hash = hash(key);
        int i = (table.length - 1 ) & hash;
        Node<K,V> node = table[i];
        if(node == null)
        {
            return null;
        }
        Node<K,V> newNode = node;      // 做条件判断
        // 如果存在这个值 而且存在hash冲突 那就需要去循环这个链表 直到找到那个key
        while (node.next != null)
        {
            if (newNode.key.equals(key)){
                // 这就说明找到了 直接跳出循环
                break;
            }else{
                newNode=newNode.next;   // 如果找不到key 就一直往链表的后面找
            }
        }
        return newNode.value;       // 最后返回这个值
    }

    /**
     * 计算哈希值
     * @param key
     * @return
     */
    static final int hash(Object key){
        int h;
        return (key == null)? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
    }

    public static void main(String[] args) {
        MyHashTable<String,String> hashTable = new MyHashTable<String, String>(5);
        hashTable.put("key1","ycw");
        hashTable.put("key2","ycw2");
        hashTable.put("key1","ycw3");
        System.out.println(hashTable.get("key1"));
        System.out.println(hashTable.get("key2"));
    }
}

2.2、hashmap

扩容

​ 在填装因子(loaderFactor) > 0.75 时进行扩容

  1. 创建新的数组,长度newLength是原来的2倍(将哈希表的存储空间增加为原来的两倍)。
  2. 遍历旧列表中取出元素的key之后,重新进行hash计算 newndex = (newLength- 1) & hash。
  3. 重新插入元素。

    3、链表

MyLinkedList 有一个头指针,一个尾指针,还有链表长度size

内有两个类,一个是实现了Iterator接口的迭代器类,另一个是Node类,其中Node数据结构中,==除了数据,还要有前一个Node和后一个Node变量。

双向循环链表

代码如下:

import java.util.Iterator;

/**
 * 双向循环链表
 * @author Administrator
 * @date 2022-09-11 22:57
 */
public class MyLinkedList<E> implements Iterable<E>{
    private Node<E> last;   // 尾指针
    private Node<E> first;  // 头指针
    private int size;       // 链表长度 每次插入要 +1

    @Override
    public Iterator<E> iterator() {
        return new MyIter() ;   // 返回一个迭代器
    }

    /**
     * 实现Iterator接口的迭代器类
     */
    class MyIter implements Iterator<E>{
        int index = 0;      // 从0开始遍历
        @Override
        public boolean hasNext() {
            return index != size;  //如果为真 就是还有下一个
        }

        @Override
        public E next() {
            return get(index++);    // 通过get方法得到链表的item值
        }

        @Override
        public void remove() {

        }
    }

    /**
     * 节点类
     * @param <E>
     */

    private static class Node<E>{
        E item;         // 元素值
        Node<E> prev;   // 前一个Node
        Node<E> next;   // 后一个Node
        public Node(Node<E> prev,E item,Node<E> next){
            this.item=item;
            this.prev=prev;
            this.next=next;
        }
    }

    public boolean addLast (E element)
    {
        // 声明一个不变的尾结点
        final Node<E> l = last;
        // 把item装入一个Node里 下面开始插入
        Node<E> newNode = new Node<E>(l,element,null);
        // 先把尾结点指向新插入的结点
        last = newNode;   // 新插进来的就是最后一个
        // 如果是这是第一个元素 那么头尾结点其实都是这个新结点
        if (l == null)
        {
            first = newNode;     // 把这个新结点赋值给头结点
        }else{
            l.next = newNode;   // 如果不是新的 那么就正常指向下一个
        }
        size ++;            // 链表长度 +1
        return true;
    }

    public E set (int index , E element)
    {
        // 先判断index在哪
        Node<E> x = findNode(index);
        E oldValue = x.item;
        x.item = element;
        return oldValue;        // 返回修改前的item值
    }

    /**
     * 找到指定索引上的Node并返回
     * @param index
     * @return
     */
    private Node<E> findNode(int index){
        if(index < (size >> 1) )    // 如果index索引 小于链表总长的一半 那就从前往后找 直到index位置
        {
            Node<E> x = first;
            for(int i = 0 ; i < index; i++){
                x = first.next;
            }
            return x;
        }
        // 如果index索引 大于链表总长的一半 那就从后往前找 直到index位置
        Node<E> x = last;
        for(int i = size-1 ;i > index; i--){
            x = last.prev;
        }
        return x;
    }

    /**
     * 获得值
     * @param index
     * @return
     */
    public E get(int index)
    {

        return findNode(index).item;
    }

    public static void main(String[] args) {
        MyLinkedList<String> myLinkedList = new MyLinkedList<String>();
        myLinkedList.addLast("aaa1");
        myLinkedList.addLast("aaa2");
        myLinkedList.addLast("aaa3");
        myLinkedList.addLast("aaa4");
        myLinkedList.addLast("aaa5");
        myLinkedList.set(0,"set");
        myLinkedList.forEach (s -> {
            System.out.println(s);
        });

        Iterator myIter = myLinkedList.iterator();
        while (myIter.hasNext()){
            System.out.println(myIter.next());
        }
    }
}

数据结构与算法之数组、链表和哈希表的Java实现

3.1、forEach

forEach( )方法是java8新增的一个遍历方法,它被定义在java.lang.Iterable 接口中。

List、Map、Set、Stream等接口都实现了这个方法,所以可以直接使用这些类的实例化对象调用forEach方法遍历元素。

数据结构与算法之数组、链表和哈希表的Java实现

比如遍历hashMap可以这么写:

 items.forEach((k,v)->System.out.println("Item : " + k + " Count : " + v));

遍历List可以这么写:

myList.forEach(s -> System.out.println(s)); 
- THE END -

靠谱杨

10月07日15:49

最后修改:2022年10月7日
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