Java 中常见的数据结构
目录
1. List (列表)
2）ArrayList
2）LinkedList
2. Set (集合)
1）HashSet
2）TreeSet
3. Map (映射)
1）HashMap
2）TreeMap
4. Queue (队列)
1）LinkedList (也实现了Queue接口)
2）PriorityQueue
5. Stack (栈)
6.选择数据结构的原则
7.面试题：你能说出几种数据结构？它们都是基于什么实现的？
关键实现特点：
Java 集合框架提供了丰富的数据结构实现，以下我会介绍几种最常用的数据结构及其特性：
1. List (列表)
List 是有序集合，允许重复元素，可以通过索引访问元素。
2）ArrayList
-
实现方式：基于动态数组
-
特点：
-
随机访问快 (O(1))
-
插入/删除中间元素慢 (O(n))
-
自动扩容
-
-
适用场景：频繁查询，较少插入删除
List<String> arrayList = new ArrayList<>();
arrayList.add("Java");
arrayList.add("Python");2）LinkedList
-
实现方式：基于双向链表
-
特点：
-
插入/删除快 (O(1))
-
随机访问慢 (O(n))
-
实现了Deque接口
-
-
适用场景：频繁插入删除，较少随机访问
List<String> linkedList = new LinkedList<>();
linkedList.add("C++");
linkedList.addFirst("Go"); // 在头部添加2. Set (集合)
Set 是不允许重复元素的无序集合。
1）HashSet
-
实现方式：基于哈希表
-
特点：
-
插入/删除/查找快 (平均O(1))
-
无序
-
-
适用场景：需要快速判断元素是否存在
Set<String> hashSet = new HashSet<>();
hashSet.add("Apple");
hashSet.add("Banana");2）TreeSet
-
实现方式：基于红黑树
-
特点：
-
元素自动排序
-
操作时间复杂度 O(log n)
-
-
适用场景：需要有序且不重复的元素集合
Set<String> treeSet = new TreeSet<>();
treeSet.add("Orange");
treeSet.add("Apple"); // 自动排序3. Map (映射)
Map 存储键值对，键不能重复。
1）HashMap
-
实现方式：基于哈希表
-
特点：
-
快速访问 (平均O(1))
-
无序
-
允许null键和null值
-
-
适用场景：快速查找键值对
Map<String, Integer> hashMap = new HashMap<>();
hashMap.put("Java", 1995);
hashMap.put("Python", 1991);2）TreeMap
-
实现方式：基于红黑树
-
特点：
-
键自动排序
-
操作时间复杂度 O(log n)
-
-
适用场景：需要有序的键值对集合
Map<String, Integer> treeMap = new TreeMap<>();
treeMap.put("C++", 1983);
treeMap.put("Go", 2009); // 按键排序4. Queue (队列)
Queue 是先进先出(FIFO)的数据结构。
1）LinkedList (也实现了Queue接口)
Queue<String> queue = new LinkedList<>();
queue.offer("First");
queue.offer("Second");
String first = queue.poll(); // 取出并移除第一个元素2）PriorityQueue
-
特点：
-
元素按优先级出队
-
基于堆实现
-
-
适用场景：需要优先级处理的场景
Queue<Integer> priorityQueue = new PriorityQueue<>();
priorityQueue.offer(5);
priorityQueue.offer(1); // 1会优先出队5. Stack (栈)
Stack 是后进先出(LIFO)的数据结构。
Deque<String> stack = new ArrayDeque<>(); // 推荐替代Stack类
stack.push("First");
stack.push("Second");
String top = stack.pop(); // 取出并移除最后一个添加的元素6.选择数据结构的原则
-
考虑操作频率：频繁查询用ArrayList，频繁插入删除用LinkedList
-
是否需要排序：需要排序选择TreeSet/TreeMap
-
是否需要唯一性：需要唯一元素用Set
-
是否需要键值对：需要键值对用Map
-
线程安全需求：多线程环境考虑ConcurrentHashMap等并发集合
7.面试题：你能说出几种数据结构？它们都是基于什么实现的？
| 数据结构接口/类 | 底层实现 | 实现原理 | 时间复杂度(平均) |
|---|---|---|---|
| ArrayList | 动态数组 | 基于Object[]数组实现，自动扩容(通常增长50%) | 查询O(1)，增删O(n) |
| LinkedList | 双向链表 | 通过Node节点(Node<E> {E item; Node<E> next; Node<E> prev;})连接 | 查询O(n)，增删O(1) |
| HashSet | HashMap | 使用HashMap的key来存储元素，value统一为PRESENT静态对象 | 增删查O(1) |
| TreeSet | TreeMap(红黑树) | 基于NavigableMap实现，元素作为TreeMap的key | 增删查O(log n) |
| HashMap | 数组+链表+红黑树(JDK8+) | 哈希桶数组(table[]) + 链表(冲突时) + 红黑树(链表长度≥8时转换) | 增删查O(1) |
| TreeMap | 红黑树 | 基于红黑树(自平衡二叉查找树)实现，保持键的有序性 | 增删查O(log n) |
| LinkedHashMap | 哈希表+双向链表 | 继承HashMap，增加双向链表维护插入/访问顺序 | 增删查O(1) |
| PriorityQueue | 二叉堆(数组实现) | 基于Object[]数组实现的小顶堆(可通过Comparator改变) | 插入O(log n)，获取O(1) |
| ArrayDeque | 循环数组 | 使用Object[]数组+头尾指针(head/tail)实现双端操作 | 增删查O(1) |
| ConcurrentHashMap | 分段数组+CAS(JDK8前) | JDK8前：Segment分段锁 JDK8+：Node+CAS+synchronized | 增删查O(1) |
注：所有复杂度分析均基于理想情况，实际性能受哈希冲突、数据分布等因素影响。线程安全集合的实现细节在不同JDK版本中有显著差异。
关键实现特点：
-
动态扩容机制：
-
ArrayList：默认初始容量10，扩容为原容量1.5倍
-
HashMap：默认初始容量16，负载因子0.75，扩容为2的幂次方
-
-
树化优化：
-
HashMap在JDK8+中当链表长度≥8且桶数量≥64时，链表转为红黑树
-
当红黑树节点≤6时，退化为链表
-
-
线程安全实现：
-
Vector/Hashtable：方法级synchronized锁
-
ConcurrentHashMap：JDK8+使用CAS+synchronized细粒度锁
-
-
有序性保证：
-
TreeSet/TreeMap：通过红黑树维持全序关系
-
LinkedHashMap：通过双向链表维护插入/访问顺序
-
-
特殊数据结构：
-
PriorityQueue：基于堆(完全二叉树)实现，数组下标满足
parent=(k-1)/2，left=2k+1，right=2k+2
-
Java集合框架提供了丰富的选择，理解每种数据结构的特点才能写出高效的代码。