Java集合源码分析之基础(一):数组与链表

和是数据结构中最基本的部分,也是其余众多数据结构的基础。即使在Java中,这两种结构使用的也很普遍。这里我们会先对它们进行简要分析。

数组

在java中,数组定义为一种基本类型,其可以通过下标获取到对应位置的数据。那么这种结构的数据,在内存中是怎么存放的呢?

数组的结构示意图

正如上图所示,数组在内存中是一段连续的存储单元,每个数据依次放在每个单元中。分析这种结构,我们可以得出以下几个结论:

创建一个数组,必须声明其长度,以在内存中寻找合适的一段连续存储单元。这也意味着数组的大小是固定的,我们无法动态调整其大小。

想要获取数组中第i个元素,其时间复杂度是O(1),因为可以根据其地址直接找到它。同理修改也是。

数组对查询表现一般,要想查找一个元素,需要遍历,时间复杂度为O(n)。

因为地址连续,想要在数组中插入一个元素是复杂的,因为从插入位置起,后边的所有元素都需要向后移动一位。同理删除也是,只是移动方向为向前。并且,当数组存满时,就无法继续插入了。

因为数组要占据一整块内存,有可能产生许多的碎片,也可能因为找不到合适的内存块,而导致存储失败。

总结起来就是:数组大小固定,查找迅速,增删复杂,需要完整的内存块,容易产生碎片。

链表

链表是一种离散存储结构,其在内存中存储不是连续的,每个数据元素都通过一个指针指向其下一个元素的地址。根据指针域的不同,链表又分为单链表、双向链表、循环链表等,这里我们只分析单链表。示意图如下所示:

链表的结构示意图

分析这种结构,我们可以得出以下几个结论:

声明一个链表时,不需要知道其长度,也不需要连续的内存块,所以其大小可以动态调整。

链表的每个元素都分为数据域和指针域,前者是实际存储的数据,后者则指向下一个元素的地址。和数组相比,每个元素需要占用的内存更大了。

要获取链表的第i个元素变得复杂,因为其地址存放在它上一个元素的指针域里,所以只能从第一个元素起,进行i次操作。同理修改也是。

链表对查询表现也一般,需要遍历,时间复杂度为O(n)。

增加与删除一个元素更方便了,因为没有对内存地址的限制,我们只需要在对应节点合理处理下指针域的值,就可以把一个元素插入链表或者从链表删除。

链表对内存的要求很小,只要能够存储下一个数据元素的内存块都可以使用,因此不会造成碎片化。

总结起来就是:大小可以动态调整,增删迅速,查找较慢,数据元素所占内存略多,不需要整块内存块,不会造成碎片化。

数组与链表的选择

通过以上分析,和对我们影响最大的几点区别在于:

数组按位置查找迅速,链表增删方便

数组是固定大小,链表可以随时扩充与缩减

链表每个元素占据内存略多于数组

数组和链表在查询方面表现都比较一般,耗时较长

在数据量很小,内容基本固定时,我们选择何种数据结构的影响并不大。但当数据量较大时,如果我们需要对数据进行频繁的插入删除,我们应该选择链表,如果我们需要频繁的获取某个位置的元素,我们应该选择数组。数组与链表并没有明确的优劣之分,根据不同的使用场景进行不同的选择,才是这两种结构使用的最佳方式。

数组和链表,好像也没有那么复杂~

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