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[数据结构与算法]java集合对比——ArrayList、LinkedList、HashSet、HashMap

结构

ArrayList:数组Object[]
LinkedList:链表Node
HashSet:HashMap<E,Object>
HashMap:(数组+链表)Node<K,V>[]+红黑树TreeNode

根据结构就能看出ArrayList使用索引在数组中搜索和读取数据是很快的,可以直接返回数组中index位置的元素,随机访问快,但是删除、插入需要移动后面的元素,开销大。LinkedList每次都要遍历查找,所以查询慢,但是因为存储位置是用指针指向,插入删除快,也因为指针所以内存大一些。
HashSet本质就是基于HashMap,只是插入删除一个键,值默认是Object,而HashMap存的是键值对。利用的是hashCode每次找到bucket来存储和查询,不碰撞的情况就时间复杂度O(1)。

初始化

ArrayList默认大小10,默认数组为空数组

    private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
    private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};
	
	public ArrayList() {
        this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
    }

LinkedList啥也没有,size是0,头尾节点是null。

	transient int size = 0;
    transient Node<E> first;
    transient Node<E> last;
 	public LinkedList() {
    }

HashSet直接new一个HashSet。

 	public HashSet() {
        map = new HashMap<>();
    }

HashMap默认负载因子0.75,为什么是0.75,注释说是是在时间和空间成本的权衡。
默认容量16。

    static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; // aka 16

 	public HashMap() {
        this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; // all other fields defaulted
    }

数据检索-forEach

ArrayList:

    @Override
    public void forEach(Consumer<? super E> action) {
        Objects.requireNonNull(action);
        final int expectedModCount = modCount;
        @SuppressWarnings("unchecked")
        final E[] elementData = (E[]) this.elementData;
        final int size = this.size;
        for (int i=0; modCount == expectedModCount && i < size; i++) {
            action.accept(elementData[i]);
        }
        if (modCount != expectedModCount) {
            throw new ConcurrentModificationException();
        }
    }
modCount == expectedModCount用表示这个list只能在当前方法被需修改,ArrayList是线程不安全的,用这种方式保证list在遍历的时候不会别其他线程所修改。这也表示,不能在foreach的时候执行删除,不然也会抛出异常。

LinkedList和HashSet

 default void forEach(Consumer<? super T> action) {
        Objects.requireNonNull(action);
        for (T t : this) {
            action.accept(t);
        }
    }

LinkedList和HashSet都没有重写forEach,用的是Iterable的默认实现,直接循环执行,通俗易懂。

HashMap

 @Override
    public void forEach(BiConsumer<? super K, ? super V> action) {
        Node<K,V>[] tab;
        if (action == null)
            throw new NullPointerException();
        if (size > 0 && (tab = table) != null) {
            int mc = modCount;
            for (int i = 0; i < tab.length; ++i) {
                for (Node<K,V> e = tab[i]; e != null; e = e.next)
                    action.accept(e.key, e.value);
            }
            if (modCount != mc)
                throw new ConcurrentModificationException();
        }
    }
先遍历数组,再遍历链表。也进行modCount判断。由于数组时键值对,所以也有只对键或者只对值遍历的方法。

扩容

ArrayList

 private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
        ensureExplicitCapacity(calculateCapacity(elementData, minCapacity));
    }
    private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
        modCount++;

        // overflow-conscious code
        if (minCapacity - elementData.length > 0)
            grow(minCapacity);
    }
     private void grow(int minCapacity) {
        // overflow-conscious code
        int oldCapacity = elementData.length;
        int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
        if (newCapacity - minCapacity < 0)
            newCapacity = minCapacity;
        if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
            newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
        // minCapacity is usually close to size, so this is a win:
        elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
    }
    
扩容后的新数组大小是( oldCapacity + (oldCapacity >> 1)),就是在原数组的长度加上原数组的长度大小的一半(位运算,右移一位相当于整体/2)。

LinkedList不需要扩容。
HashSet就HashMap的。

HashMap

 /**
 1、初始化,设置容量、阈值,list
 2、
 */
 final Node<K,V>[] resize() {
     Node<K,V>[] oldTab = table;
     int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;
     int oldThr = threshold;
     int newCap, newThr = 0;
     // 扩容
     if (oldCap > 0) {
         if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
             threshold = Integer.MAX_VALUE;
             return oldTab;
         }
         else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&
                  oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
             newThr = oldThr << 1; // double threshold
     }
     // 之前初始化阈值了
     else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold
         newCap = oldThr;
         // 要进行初始化
     else {               // zero initial threshold signifies using defaults
         newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;
         newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);
     }
     // 如果新阈值为0,进行赋值。容量*负载因子
     if (newThr == 0) {
         float ft = (float)newCap * loadFactor;
         newThr = (newCap < MAXIMUM_CAPACITY && ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY ?
                   (int)ft : Integer.MAX_VALUE);
     }
     // 更新阈值
     threshold = newThr;
     // 新数组
     @SuppressWarnings({"rawtypes","unchecked"})
     Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap];
     table = newTab;
     // 扩容
     if (oldTab != null) {
         for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {
             Node<K,V> e;
             if ((e = oldTab[j]) != null) {
                 oldTab[j] = null;
                 if (e.next == null)  // 桶里只有一个值,直接赋值
                     newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;
                 else if (e instanceof TreeNode)    // 之前是红黑树
                     ((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);
                 else { // preserve order
                 // 之前是链表 
                     Node<K,V> loHead = null, loTail = null;
                     Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null;
                     Node<K,V> next;
                     do {
                         next = e.next;
                         if ((e.hash & oldCap) == 0) { // 低位
                             if (loTail == null)
                                 loHead = e;
                             else
                                 loTail.next = e;
                             loTail = e;
                         }
                         else { // 高位
                             if (hiTail == null)
                                 hiHead = e;
                             else
                                 hiTail.next = e;
                             hiTail = e;
                         }
                     } while ((e = next) != null);
                     if (loTail != null) {
                         loTail.next = null;
                         newTab[j] = loHead;
                     }
                     if (hiTail != null) {
                         hiTail.next = null;
                         newTab[j + oldCap] = hiHead;
                     }
                 }
             }
         }
     }
     return newTab;
 }

   final void split(HashMap<K,V> map, Node<K,V>[] tab, int index, int bit) {
      TreeNode<K,V> b = this;  // 这个this是HashMap的内部类TreeNode的对象,是桶里装的红黑树
      // Relink into lo and hi lists, preserving order
      TreeNode<K,V> loHead = null, loTail = null;
      TreeNode<K,V> hiHead = null, hiTail = null;
      int lc = 0, hc = 0;
      for (TreeNode<K,V> e = b, next; e != null; e = next) {
          next = (TreeNode<K,V>)e.next;
          e.next = null;
          // 高低位异或
          if ((e.hash & bit) == 0) {  // 低位
              if ((e.prev = loTail) == null)
                  loHead = e;
              else
                  loTail.next = e;
              loTail = e;
              ++lc;
          }
          else { // 高位
              if ((e.prev = hiTail) == null)
                  hiHead = e;
              else
                  hiTail.next = e;
              hiTail = e;
              ++hc;
          }
      }

      if (loHead != null) {
          if (lc <= UNTREEIFY_THRESHOLD)  // 拆树
              tab[index] = loHead.untreeify(map);
          else {
              tab[index] = loHead;
              if (hiHead != null) // (else is already treeified)
                  loHead.treeify(tab);
          }
      }
      if (hiHead != null) {
          if (hc <= UNTREEIFY_THRESHOLD)
              tab[index + bit] = hiHead.untreeify(map);
          else {
              tab[index + bit] = hiHead;
              if (loHead != null)
                  hiHead.treeify(tab);
          }
      }
  }
  // 拆树
    final Node<K,V> untreeify(HashMap<K,V> map) {
      Node<K,V> hd = null, tl = null;
      for (Node<K,V> q = this; q != null; q = q.next) {
          Node<K,V> p = map.replacementNode(q, null);
          if (tl == null)
              hd = p;
          else
              tl.next = p;
          tl = p;
      }
      return hd;
  }
  
扩容大小是newThr = oldThr << 1,是原来的两倍。

其实对于数据量小来说,这些对比性能从差异可以忽略不计。

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