Day26 手撕各种集合底层源码（一）

news2024/11/29 4:51:05

Day26 手撕各种集合底层源码（一）

一、手撕ArrayList底层源码

1、概念： ArrayList的底层实现是基于数组的动态扩容结构。

2、思路：
1.研究继承关系
2.研究属性
3.理解创建集合的过程 – 构造方法的底层原理
4.研究添加元素的过程

3、关键源码：

成员变量：

transient Object[] elementData; // 用于存储元素的数组
private int size; // ArrayList中元素的数量

构造方法：

public ArrayList() {
    this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA; // 初始容量为0的空数组
}

public ArrayList(int initialCapacity) {
    if (initialCapacity > 0) {
        this.elementData = new Object[initialCapacity]; // 指定初始容量的数组
    } else if (initialCapacity == 0) {
        this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA; // 初始容量为0的空数组
    } else {
        throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: " + initialCapacity);
    }
}

添加元素方法（add）：

public boolean add(E e) {
    ensureCapacityInternal(size + 1);  // 确保容量足够
    elementData[size++] = e; // 将元素添加到数组末尾
    return true;
}

private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
    if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
        minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity); // 默认容量为10
    }
    ensureExplicitCapacity(minCapacity); // 确保容量足够
}

private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
    modCount++;
    if (minCapacity - elementData.length > 0) {
        grow(minCapacity); // 扩容
    }
}

private void grow(int minCapacity) {
    int oldCapacity = elementData.length;
    int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1); // 扩容为原来的1.5倍
    if (newCapacity - minCapacity < 0) {
        newCapacity = minCapacity;
    }
    if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0) {
        newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
    }
    elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity); // 数组扩容
}

4、举例：

public static void main(String[] args) {
		
​	//ArrayList<String> list = new ArrayList<>();
​	ArrayList<String> list = new ArrayList<>(10000);
​	
​	list.add("aaa");
​	list.add("bbb");
​	list.add("ccc");
​	list.add("ddd");
​	
}

二、手撕LinkedList底层源码

1、概念： LinkedList的底层实现是基于双向链表的数据结构。

2、思路：

​ 1.研究继承关系
​ 2.研究属性
​ 3.理解创建集合的过程 – 构造方法的底层原理
​ 4.研究添加元素的过程

3、关键源码：

节点定义：

private static class Node<E> {
    E item; // 节点元素
    Node<E> next; // 后继节点
    Node<E> prev; // 前驱节点

    Node(Node<E> prev, E element, Node<E> next) {
        this.item = element;
        this.next = next;
        this.prev = prev;
    }
}

成员变量：

transient int size = 0; // LinkedList中元素的数量
transient Node<E> first; // 链表的头节点
transient Node<E> last; // 链表的尾节点

添加元素方法（add）：

public boolean add(E e) {
    linkLast(e); // 将元素添加到链表末尾
    return true;
}

void linkLast(E e) {
    final Node<E> l = last;
    final Node<E> newNode = new Node<>(l, e, null); // 创建新节点
    last = newNode; // 将新节点设置为尾节点
    if (l == null) {
        first = newNode; // 如果链表为空，将新节点设置为头节点
    } else {
        l.next = newNode; // 将前尾节点的后继节点指向新节点
    }
    size++; // 元素数量加1
}

删除元素方法（remove）：

public E remove() {
    return removeFirst(); // 删除链表的第一个节点
}

public E removeFirst() {
    final Node<E> f = first;
    if (f == null) {
        throw new NoSuchElementException();
    }
    return unlinkFirst(f); // 删除第一个节点
}

E unlinkFirst(Node<E> f) {
    final E element = f.item;
    final Node<E> next = f.next;
    f.item = null;
    f.next = null; // help GC
    first = next; // 将下一个节点设置为头节点
    if (next == null) {
        last = null; // 如果下一个节点为空，将尾节点置空
    } else {
        next.prev = null; // 将下一个节点的前驱节点置空
    }
    size--; // 元素数量减1
    return element;
}

4、举例：

	public static void main(String[] args) {
		
		LinkedList<String> list = new LinkedList<>();
		
		list.add("小浩");
		list.add("小威");
		list.add("小刘");
		
	}

三、手撕Stack底层源码

1、概念： Java中的Stack类是基于动态数组实现的后进先出（LIFO）栈结构。然而，需要注意的是，Java官方推荐使用Deque接口的实现类ArrayDeque来代替Stack类，因为Deque接口提供了更完善的栈操作方法，并且在性能上更优秀。

2、关键源码：

成员变量：

private transient Object[] elementData; // 用于存储栈元素的数组
private int elementCount; // 栈中元素的数量

基本方法：

public E push(E item) {
    addElement(item); // 将元素压入栈顶
    return item;
}

public synchronized E pop() {
    E obj;
    int len = size();
    obj = peek(); // 获取栈顶元素
    removeElementAt(len - 1); // 移除栈顶元素
    return obj;
}

public synchronized E peek() {
    int len = size();
    if (len == 0) {
        throw new EmptyStackException();
    }
    return elementAt(len - 1); // 获取栈顶元素
}

扩容方法：

java复制代码private void ensureCapacity(int minCapacity) {
    if (minCapacity - elementData.length > 0) {
        grow(minCapacity); // 扩容
    }
}

private void grow(int minCapacity) {
    int oldCapacity = elementData.length;
    int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1); // 扩容为原来的1.5倍
    if (newCapacity - minCapacity < 0) {
        newCapacity = minCapacity;
    }
    if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0) {
        newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
    }
    elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity); // 数组扩容
}

3、举例：

import java.util.Stack;

public class Test01 {
	/**
	 * 知识点：手撕Stack底层源码
	 */
	public static void main(String[] args) {
		
		Stack<String> stack = new Stack<>();
		
		stack.push("aaa");
		stack.push("bbb");
		stack.push("ccc");
		stack.push("ddd");
		
	}
}

四、单向链表

1、概念： 单向链表（Singly Linked List）是一种常见的链表数据结构，它由节点组成，每个节点包含数据和指向下一个节点的指针。单向链表的最后一个节点指向空值（null），表示链表的结束。

2、特点：

  1. 单向遍历：只能从头到尾遍历链表，无法反向遍历。
  2. 插入和删除：在已知节点的情况下，可以方便地进行节点的插入和删除操作。
  3. 空间开销：相对于数组，单向链表需要额外的空间来存储指针。

3、应用场景：

  • 需要频繁的插入和删除操作，且不需要反向遍历的场景。
  • 需要在已知节点的情况下进行插入和删除操作的场景。

4、关键源码：

成员变量：

private transient Object[] elementData; // 用于存储栈元素的数组
private int elementCount; // 栈中元素的数量

基本方法：

public E push(E item) {
    addElement(item); // 将元素压入栈顶
    return item;
}
public synchronized E pop() {
    E obj;
    int len = size();
    obj = peek(); // 获取栈顶元素
    removeElementAt(len - 1); // 移除栈顶元素
    return obj;
}
public synchronized E peek() {
    int len = size();
    if (len == 0) {
        throw new EmptyStackException();
    }
    return elementAt(len - 1); // 获取栈顶元素
}

扩容方法：

private void ensureCapacity(int minCapacity) {
    if (minCapacity - elementData.length > 0) {
        grow(minCapacity); // 扩容
    }
}

private void grow(int minCapacity) {
    int oldCapacity = elementData.length;
    int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1); // 扩容为原来的1.5倍
    if (newCapacity - minCapacity < 0) {
        newCapacity = minCapacity;
    }
    if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0) {
        newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
    }
    elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity); // 数组扩容
}

5、举例：

import java.util.Iterator;
public class Test01 {
	/**
	 * 知识点：实现单向链表
	 */
	public static void main(String[] args) {
		
		UnidirectionalLinkedList<String> list = new UnidirectionalLinkedList<>();
		
		list.add("aaa");
		list.add("bbb");
		list.add("ccc");
		list.add("ddd");
		list.add("eee");
		
		Iterator<String> it = list.iterator();
		while(it.hasNext()){
			String element = it.next();
			System.out.println(element);
		}
		
	}
}
public class UnidirectionalLinkedList<E> {

	private Node<E> first;
	private Node<E> last;
	private int size;
	
	public void add(E e){
		
		Node<E> node = new Node<>(e, null);
		
		if(first == null){
			first = node;
		}else{
			last.next = node;
		}
		last = node;
		size++;
	}
	
	public Iterator<E> iterator(){
		return new Itr();
	}
	
	public class Itr implements Iterator<E>{

		private int cursor;
		private Node<E> node = first;
		
		@Override
		public boolean hasNext() {
			return cursor != size;
		}

		@Override
		public E next() {
			E item = node.item;
			node = node.next;
			cursor++;
			return item;
		}
		
	}
	
	public static class Node<E>{
		E item;
		Node<E> next;
		
		public Node(E item, Node<E> next) {
			this.item = item;
			this.next = next;
		}
	}
	
}

五、双向链表

1、概念： 双向链表（Doubly Linked List）是一种常见的链表数据结构，每个节点包含两个指针，分别指向前一个节点和后一个节点。与单向链表相比，双向链表可以支持双向遍历，提供了更多的灵活性 。

2、特点：

  1. 双向遍历：可以从头到尾或者从尾到头遍历链表，提供了更多的遍历方式。
  2. 插入和删除：在已知节点的情况下，可以更方便地进行节点的插入和删除操作。
  3. 空间开销：相对于单向链表，双向链表需要额外的空间来存储前驱节点的指针。

3、应用场景：

  • 需要频繁的插入和删除操作，且需要双向遍历的场景。
  • 需要在已知节点的情况下进行插入和删除操作的场景。

4、基本操作：

  1. 插入节点：在给定节点后或前插入新节点，需要更新前后节点的指针。
  2. 删除节点：删除给定节点，同样需要更新前后节点的指针。
  3. 遍历：可以从头到尾或者从尾到头遍历链表，获取节点的值或执行其他操作。

5、代码理解：

import java.util.Iterator;
import com.qf.bidirectional_linked_list.BidirectionalLinkedList.Node;

public class Test01 {
	/**
	 * 知识点：实现双向链表
	 */
	public static void main(String[] args) {
		
		BidirectionalLinkedList<String> list = new BidirectionalLinkedList<>();
		
		list.add("aaa");
		list.add("bbb");
		list.add("ccc");
		list.add("ddd");
		list.add("eee");
		
		//正序遍历
		Iterator<String> it = list.iterator();
		while(it.hasNext()){
			String element = it.next();
			System.out.println(element);
		}
		
		System.out.println("-----------------------");

		//倒序遍历
		Node<String> node = list.getLast();
		while(node != null){
			System.out.println(node.item);
			node = node.prev;
		}
		
	}
}

public class BidirectionalLinkedList<E> {

	private Node<E> first;
	private Node<E> last;
	private int size;
	
	public void add(E e){
		
		Node<E> l = last;
		
		Node<E> node = new Node<>(l,e, null);
		
		if(first == null){
			first = node;
		}else{
			last.next = node;
			
		}
		last = node;
		size++;
	}
	
	
	public Node<E> getLast() {
		return last;
	}

	public Iterator<E> iterator(){
		return new Itr();
	}
	
	public class Itr implements Iterator<E>{

		private int cursor;
		private Node<E> node = first;
		
		@Override
		public boolean hasNext() {
			return cursor != size;
		}

		@Override
		public E next() {
			E item = node.item;
			node = node.next;
			cursor++;
			return item;
		}
	}
	
	public static class Node<E>{
		Node<E> prev;
		E item;
		Node<E> next;
		
		public Node(Node<E> prev,E item, Node<E> next) {
			this.prev = prev;
			this.item = item;
			this.next = next;
		}
	}
	
}

LinkedList理解图：
在这里插入图片描述

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