Java 数据结构详解

Java 数据结构是 Java 编程中存储和组织数据的方式，就像现实生活中 “书架”“抽屉”“字典” 等工具 —— 不同的结构适合存放不同类型的数据，也决定了 “存、取、查” 的效率。Java 内置了一套完善的集合框架（Collection Framework），把常用数据结构封装成了易用的类，我们不需要从零实现，直接拿来用就行。

一、先搞懂：Java 集合框架的 “家谱”

Java 集合框架就像一个大家族，主要分为两大分支：

单值集合（Collection）：每个元素是单个值（如数字、字符串），包括 List（有序可重复）、Set（无序不可重复）；
键值对集合（Map）：每个元素是 “键 - 值” 对（如字典中的 “单词 - 解释”），代表是 Map 接口。

它们的关系可以简单理解为：

集合框架
├─ Collection（单值集合）
│  ├─ List（有序、可重复）
│  │  ├─ ArrayList（数组实现）
│  │  └─ LinkedList（链表实现）
│  └─ Set（无序、不可重复）
│     ├─ HashSet（哈希表实现）
│     └─ TreeSet（红黑树实现，有序）
└─ Map（键值对集合）
   ├─ HashMap（哈希表实现）
   └─ TreeMap（红黑树实现，键有序）

 

二、单值集合（Collection）详解

1. List：有序可重复的 “数组增强版”

List 就像一排有编号的抽屉，每个抽屉有固定位置（索引），可以放相同的东西（可重复）。你可以通过编号快速找到某个抽屉，也可以在任意位置添加 / 删除抽屉。

常用实现类：

ArrayList：底层是动态数组（长度可变的数组）。

优点：通过索引（如 get(0)）访问元素极快（时间复杂度 O (1)）；
缺点：在中间插入 / 删除元素慢（需要移动后面的元素，时间复杂度 O (n)）；
类比：像一本书，查第 100 页很快，但在第 50 页插入一页，后面的页码都要变。

代码示例：

 

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        List<String> list = new ArrayList<>();
        // 添加元素
        list.add("苹果");
        list.add("香蕉");
        list.add("苹果"); // 允许重复
        
        // 按索引访问（0 开始）
        System.out.println(list.get(1)); // 输出：香蕉
        
        // 遍历
        for (String fruit : list) {
            System.out.println(fruit); // 输出：苹果、香蕉、苹果（顺序和添加一致）
        }
    }
}

 

LinkedList：底层是双向链表（每个元素像 “铁链” 一样连在一起，每个节点记录前后节点的位置）。
- 优点：在中间插入 / 删除元素快（只需改前后节点的链接，时间复杂度 O (1)）；
- 缺点：通过索引访问慢（需要从头遍历到目标位置，时间复杂度 O (n)）；
- 类比：像一串项链，拆中间的珠子只需解开两边的线，但要找第 100 颗珠子，得从第一颗开始数。

2. Set：无序不可重复的 “去重神器”

Set 就像一个没有编号的袋子，里面的元素没有固定顺序，且不能有重复（比如 “黑名单” 里不能有重复的名字）。

常用实现类：

HashSet：底层是哈希表（通过 “哈希值” 快速定位元素）。

特点：无序（遍历顺序和添加顺序可能不同）、去重（依赖元素的 hashCode() 和 equals() 方法）；
优点：添加、删除、查询速度极快（时间复杂度 O (1)）；
类比：像一本字典，通过拼音首字母（哈希值）快速找到单词，且不会有重复的单词。

代码示例：

 

import java.util.HashSet;
import java.util.Set;

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        Set<String> set = new HashSet<>();
        set.add("苹果");
        set.add("香蕉");
        set.add("苹果"); // 重复元素，会被自动过滤
        
        // 遍历（顺序不确定）
        for (String fruit : set) {
            System.out.println(fruit); // 输出：苹果、香蕉（无重复）
        }
    }
}

 

TreeSet：底层是红黑树（一种自平衡的排序树）。
- 特点：自动按元素大小排序（如数字从小到大、字符串按字典序）、去重；
- 优点：适合需要 “排序 + 去重” 的场景（如排行榜）；
- 缺点：添加 / 查询速度比 HashSet 稍慢（时间复杂度 O (log n)）。

三、键值对集合（Map）：像字典一样 “通过键找值”

Map 存储的是 “键（Key）- 值（Value）” 对，就像字典中 “单词（键）- 解释（值）” 的对应关系。键不能重复（一个单词只能有一个解释），但值可以重复（多个单词可以有相同解释）。

常用实现类：

HashMap：底层是哈希表（数组 + 链表 / 红黑树）。

特点：键无序、键唯一；
优点：根据键查询值的速度极快（O (1)），适合频繁的 “存、取” 操作；
类比：像手机通讯录，通过姓名（键）快速找到电话（值），姓名不能重复。

代码示例：

 

import java.util.HashMap;
import java.util.Map;

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        Map<String, Integer> scoreMap = new HashMap<>();
        // 存键值对
        scoreMap.put("张三", 90);
        scoreMap.put("李四", 85);
        scoreMap.put("张三", 95); // 键重复，会覆盖之前的值
        
        // 查值（通过键）
        System.out.println(scoreMap.get("李四")); // 输出：85
        
        // 遍历所有键值对
        for (Map.Entry<String, Integer> entry : scoreMap.entrySet()) {
            System.out.println(entry.getKey() + "：" + entry.getValue()); 
            // 输出：张三：95、李四：85（顺序不确定）
        }
    }
}

 

TreeMap：底层是红黑树。
- 特点：键会自动按大小排序（如数字键从小到大）；
- 适合场景：需要按键排序的场景（如按学号排序的成绩表）。

四、其他常用数据结构

除了上述核心集合，Java 中还有一些特殊结构：

Queue（队列）：“先进先出”（FIFO）的结构，像排队买票，先到先得。常用实现 LinkedList（因为链表适合频繁添加 / 删除）。

 
Queue<String> queue = new LinkedList<>();
queue.offer("第一个人"); // 入队
queue.offer("第二个人");
System.out.println(queue.poll()); // 出队：第一个人（先入先出）

Stack（栈）：“后进先出”（LIFO）的结构，像叠盘子，最后放的先拿走。Java 中常用 Deque 替代（LinkedList 实现）。

 
Deque<String> stack = new LinkedList<>();
stack.push("第一层盘子"); // 入栈
stack.push("第二层盘子");
System.out.println(stack.pop()); // 出栈：第二层盘子（后入先出）

数组（Array）：最基础的线性结构，长度固定，通过索引访问快，但不能动态扩容（ArrayList 是对数组的 “动态扩容” 封装）。

五、如何选择合适的数据结构？

记住几个核心场景：

需有序 + 可重复 + 频繁查：用 ArrayList；
需有序 + 可重复 + 频繁增删中间元素：用 LinkedList；
需去重 + 无序：用 HashSet；
需去重 + 排序：用 TreeSet；
需键值对 + 无序：用 HashMap；
需键值对 + 键排序：用 TreeMap；
需先进先出：用 Queue（LinkedList 实现）；
需后进先出：用 Deque 当栈（LinkedList 实现）。

总结

Java 数据结构的核心是集合框架，它把复杂的底层实现（数组、链表、哈希表、红黑树等）封装成简单的类，我们只需关注 “用什么结构” 和 “怎么用”。

posted on 2025-08-29 09:10 coding博客阅读(4) 评论(0) 收藏举报

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