Java常用的数据结构

Java中的数据结构：

• 数组（Array）
• 链表（Linked List 一种递归结构数据）
• 栈（Stack 按照后进先出、先进后出的原则来存储数据）
• 队列(Queue)
• 树（Tree 是由n (n>0) 个有限节点组成的一个具有层次关系的集合）
• 堆(Heap)
• 图(Graph)
• 哈希表(Hash)

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种数据结构有什么区别呢？

1. 数组
优点：

• 按照索引查询元素的速度很快
• 按照索引便利数组也很方便

缺点：

• 数组的大小在创建后就确定了，无法扩容
• 数组只能存储一种类型的数据

添加、删除元素的操作很耗时间，因为要移动其他元素。

2. 链表

• 《算法（第 4 版）》一书中是这样定义链表的：

  链表是一种递归的数据结构，它或者为空（null），或者是指向一个结点（node）的引用，该节点还有一个元素和一个指向另一条链表的引用。

  Java 的 LinkedList 类可以很形象地通过代码的形式来表示一个链表的结构：

  public class LinkedList<E> {   
      transient Node<E> first;    
      transient Node<E> last;     
      private static class Node<E> {        
          E item;        
          Node<E> next;        
          Node<E> prev;  
          
          Node(Node<E> prev, E element, Node<E> next){            
          this.item = element;            
          this.next = next;            
          this.prev = prev;       
          }   
      }
  }
  

• 这是一种双向链表，当前元素 item 既有 prev 又有 next，不过 first 的 prev 为 null，last 的 next 为 null。如果是单向链表的话，就只有 next，没有 prev。

由于不必按照顺序的方式存储，链表在插入、删除的时候可以达到 O(1) 的时间复杂度（只需要重新指向引用即可，不需要像数组那样移动其他元素）。除此之外，链表还克服了数组必须预先知道数据大小的缺点，从而可以实现灵活的内存动态管理。
优点：

• 不需要初始化容量；
• 可以添加任意元素；
• 插入和删除的时候只需要更新引用。

缺点：

• 含有大量的引用，占用的内存空间大；
• 查找元素需要遍历整个链表，耗时。

3. 栈

栈就好像水桶一样，底部是密封的，顶部是开口，水可以进可以出。用过水桶的小伙伴应该明白这样一个道理：先进去的水在桶的底部，后进去的水在桶的顶部；后进去的水先被倒出来，先进去的水后被倒出来。

同理，栈按照“后进先出”、“先进后出”的原则来存储数据，先插入的数据被压入栈底，后插入的数据在栈顶，读出数据的时候，从栈顶开始依次读出。

4. 队列

队列就好像一段水管一样，两端都是开口的，水从一端进去，然后从另外一端出来。先进去的水先出来，后进去的水后出来。

和水管有些不同的是，队列会对两端进行定义，一端叫队头，另外一端就叫队尾。队头只允许删除操作（出队），队尾只允许插入操作（入队）。

5. 树

树是一种典型的非线性结构，它是由 n（n>0）个有限节点组成的一个具有层次关系的集合。

之所以叫“树”，是因为这种数据结构看起来就像是一个倒挂的树，只不过根在上，叶在下。树形数据结构有以下这些特点：

• 每个节点都只有有限个子节点或无子节点；
• 没有父节点的节点称为根节点；
• 每一个非根节点有且只有一个父节点；
• 除了根节点外，每个子节点可以分为多个不相交的子树。

基于二叉查找树的特点，它相比较于其他数据结构的优势就在于查找、插入的时间复杂度较低，为 O(logn)。假如我们要从上图中查找 5 个元素，先从根节点 7 开始找，5 必定在 7 的左侧，找到 4，那 5 必定在 4 的右侧，找到 6，那 5 必定在 6 的左侧，找到了。

理想情况下，通过 BST 查找节点，所需要检查的节点数可以减半。

平衡二叉树：当且仅当任何节点的两棵子树的高度差不大于 1 的二叉树。由前苏联的数学家 Adelse-Velskil 和 Landis 在 1962 年提出的高度平衡的二叉树，根据科学家的英文名也称为 AVL 树。

平衡二叉树本质上也是一颗二叉查找树，不过为了限制左右子树的高度差，避免出现倾斜树等偏向于线性结构演化的情况，所以对二叉搜索树中每个节点的左右子树作了限制，左右子树的高度差称之为平衡因子，树中每个节点的平衡因子绝对值不大于 1。

平衡二叉树的难点在于，当删除或者增加节点的情况下，如何通过左旋或者右旋的方式来保持左右平衡。

Java 中最常见的平衡二叉树就是红黑树，节点是红色或者黑色，通过颜色的约束来维持着二叉树的平衡：

1）每个节点都只能是红色或者黑色
2）根节点是黑色
3）每个叶节点（NIL 节点，空节点）是黑色的。
4）如果一个节点是红色的，则它两个子节点都是黑色的。也就是说在一条路径上不能出现相邻的两个红色节点。
5）从任一节点到其每个叶子的所有路径都包含相同数目的黑色节点。

6. 堆

堆可以被看做是一棵树的数组对象，具有以下特点：

• 堆中某个节点的值总是不大于或不小于其父节点的值；
• 堆总是一棵完全二叉树。

将根节点最大的堆叫做最大堆或大根堆，根节点最小的堆叫做最小堆或小根堆。

8. 哈希表

哈希表（Hash Table），也叫散列表，是一种可以通过关键码值（key-value）直接访问的数据结构，它最大的特点就是可以快速实现查找、插入和删除。

数组的最大特点就是查找容易，插入和删除困难；而链表正好相反，查找困难，而插入和删除容易。哈希表很完美地结合了两者的优点， Java 的 HashMap 在此基础上还加入了树的优点。

哈希函数在哈希表中起着⾮常关键的作⽤，它可以把任意长度的输入变换成固定长度的输出，该输出就是哈希值。哈希函数使得一个数据序列的访问过程变得更加迅速有效，通过哈希函数，数据元素能够被很快的进行定位。

若关键字为 k，则其值存放在 hash(k) 的存储位置上。由此，不需要遍历就可以直接取得 k 对应的值。

对于任意两个不同的数据块，其哈希值相同的可能性极小，也就是说，对于一个给定的数据块，找到和它哈希值相同的数据块极为困难。再者，对于一个数据块，哪怕只改动它的一个比特位，其哈希值的改动也会非常的大——这正是 Hash 存在的价值！

尽管可能性极小，但仍然会发生，如果哈希冲突了，Java 的 HashMap 会在数组的同一个位置上增加链表，如果链表的长度大于 8，将会转化成红黑树进行处理——这就是所谓的拉链法（数组+链表）。