Шпаргалка по структурам данных в Java

К каждому собеседованию важно готовиться и проще всего это делать, когда перед глазами есть готовый материал. В данной публикации я хочу поделиться с вами своей шпаргалкой, которую использую перед собеседованиями для повторения структур данных в Java.

Что такое структуры данных, для чего они и какие есть в Java?

Под структурами данных подразумевается хранение данных и их организация таким образом, чтобы решать поставленную задачу наиболее эффективным способом. В Java есть следующие структуры данных:

• Массив

• Список (Динамический массив)

• Стек

• Очередь

• Связный список

• HashTable и HashMap

• Дерево

Массив

Массив - это нумерованный набор переменных одного типа.

Объявляется следующем образом:

int[] arr = new int[10];

• Все массивы в Java одномерные. В случае с многомерными массивами каждый элемент содержит только ссылку на вложенный массив

• Можно создать нулевого размера, может быть полезно если нужно вернуть пустой массив из какого-либо метода

• Оператор new используется для создания ссылочного типа данных. Ссылка хранится на стеке, а объект в куче. Если на объект нет ссылок, то он будет удалён автоматически. Удаление объекта может быть осуществлено с задержкой

Список (Динамический массив)

Идея списка или же динамического массива заключается в автоматическом расширении емкости.

Объявляется следующем образом:

ArrayList<Integer> arr = new ArrayList<Integer>();

• Примитивный тип данных передать не можем, поэтому передаем класс обертку. О классах обертках, можно прочитать здесь. При желании можно написать универсальную реализацию ArrayList, сделать его массивом Object и тогда можно будет хранить еще и примитивы благодаря автоупаковке

• Если не указать в конструктор начальную емкость, то будет создан пустой список с емкостью в 10 элементов

• В случае, когда зарезервированной емкости не хватает, при достижении максимального количества элементов будет создан новый массив с емкостью: новая_емкость = (старая_емкость * 3) / 2 + 1. Существующие элементы списка будут скопированы в новый массив

• Чтобы не тратить память напрасно, при удалении элементов следует вызывать метод trimToSize()

Плюсы и минусы

+ доступ к элементам по индексу за O(1), к элементам по значению за O(n);
+ можно хранить любые значения и даже null.

- вставка или удаление элемента в середину списка вызывает перезапись всех элементов, работает за O(n);
- поиск за O(n);
- не синхронизирован.

Стек

Очередь работает по принципу LIFO. В Java наследуется от Vector<E>, реализует следующие интерфейсы: Iterable<E>, Collection<E>, List<E>, RandomAccess, Serializable, Cloneable.

Объявляется следующем образом:

Stack<Integer> arr = new Stack<Integer>();

Основные методы

• push() - добавляет в конец очереди;

• peek() - возвращает последний элемент и не удаляет его;

• pop() - удаляет последний элемент и возвращает его;

• empty() - вернет true - если очередь пуста и false - в противном случае;

• search() - возвращает номер позиции с конца очереди.

Очередь

Интерфейс Queue<E> описывает одностороннюю очередь, а Deque<E> - двухстороннюю. Прежде чем перейти к объявлению в Java, стоит отметить иерархию наследования. Иерархия следующая:

• Iterable<T> => Collection<E> => Queue<E> => Deque<E>

Интерфейсы Queue<E> и Deque<E> реализуют следующие классы:

• ArrayDeque<E> - двухсторонняя очередь

• LinkedList<E> - связный список

• PriorityQueue<E> - очередь с приоритетами

Объявляется следующем образом:

Queue<Integer> arr = new ArrayDeque<Integer>();
Deque<Integer> arr1 = new ArrayDeque<Integer>();
PriorityQueue<Integer> arr2 = new PriorityQueue<Integer>();
// Очередь на LinkedList'е
Queue<Integer> arr = new LinkedList<Integer>();
Deque<Integer> arr = new LinkedList<Integer>();

Разница между реализацией на листе и деку

• ArrayDeque реализует дек на массиве, поэтому он эффективнее по памяти и работает быстрее, чем LinkedList

Пару слов о PriorityQueue.
Этот класс реализует следующие интерфейсы: Iterable<E>, Collection<E>, Queue<E>, Serializable. У этого класса есть свои особенности:

• Из очереди первым возвращается элемент с наибольшим приоритетом

• Значение null добавить нельзя

Связный список

LinkedList<E> реализует связный список, элементы которого хранят ссылки на предыдущий и следующий элементы.

Класс реализует следующие интерфейсы:
Iterable<E>, Collection<E>, List<E>, Queue<E>, Deque<E>, Serializable, Cloneable.

Объявляется следующем образом:

LinkedList<Integer> arr = new LinkedList<Integer>();

Сравнение ArrayList и LinkedList по сложности выполнения операций

Операция	ArrayList	LinkedList
add (E element)	O(1) O(n) - при копировании	O(1)
add (int index, E element)	O(n/2) - с середины O(n) - с начала O(1) - с конца	O(n/4) O(n) - в конец или начало
remove (int index)	O(n/2) - с середины O(n) - с начала O(1) - с конца	O(n/4) O(n) - в конец или начало
get (int index)	O(1)	O(n/4)

LinkedList занимает гораздо больше памяти, чем ArrayList. Использовать нужно в определенных случаях, чаще всего когда речь идет о двусвязном списке. Также стоит отметить, что элементы у ArrayList в памяти хранятся линейно, поэтому доступ по индексу происходит за O(1)

HashTable и HashMap

HashTable считается устаревшей, поэтому приведена лишь разница между мапой и таблицей. HashMap используется для хранения пары «ключ-значение». В качестве примера использования хэш-мапы можно привести пациента больницы, у которого есть Ф.И.О. и номер медицинского полиса.

• Если конструктору не передать никаких значений, то будет создан пустой словарь с емкостью в 16 элементов и коэффициентом заполнения 0.75

• Если коэффициент заполнения достигает максимума, то число bucket'ов увеличивается в два раза

Класс HashMap<K, V> реализует следующие интерфейсы:
Map<K, V>, Serializable, Cloneable.

Объявляется следующем образом:

HashMap<String, Integer> map = new HashMap<String, Integer>();

Разница между HashTable и HashMap

• Хэш-Таблица не может хранить null, в отличии от Хэш-Мапы

• В Хэш-Таблице все методы синхронизированы, что сказывается на скорости работы

• Хэш-Таблица не рекомендуется к использования, так как считается устаревшей, Хэш-Мапа предпочтительнее

  P.S. Если требуется выбрать структуру, которая справится с параллельными вычислениями, то есть ConcurrentHashMap

Дерево

Стоит заметить, что готовой реализации бинарного дерева в Java нет, но есть TreeMap<K, V> и TreeSet<E>, которые описывают словари, где ключи хранятся в отсортированном порядке. TreeSet инкапсулирует в себе TreeMap, который в свою очередь использует сбалансированное бинарное красно-черное дерево для хранения элементов.

Класс TreeSet<E> реализует следующие интерфейсы:
Itearble<E>, Collection<E>, Set<E>, SortedSet<E>, NavigatbleSet<E>, Serializable, Cloneable.

Класс TreeMap<K, V> реализует следующие интерфейсы:
Map<K,V>, SortedMap<K, V>, NavigatbleMap<K, V>, Serializable, Cloneable.

Преимущества иерархической организации данных

• простота восприятия человеком;

• высокое быстродействие при транзакционной обработке.

Недостатки

• медленный доступ к данным нижних уровней;

• склонность к избыточности;

• на больших объёмах данных требуется индексация элементов.

Объявляется следующем образом:

TreeSet<Integer> set = new TreeSet<Integer>();
TreeMap<String, Integer> map = new TreeMap<String, Integer>();

В чем разница между HashSet и TreeSet

• Под капотом у TreeSet лежит красно-черное дерево и упорядочивание элементов происходит именно по принципу красно-черных деревьев. HashSet не поддерживает упорядочивание

• Сложность TreeSet - O(log(n)), HashSet - O(1) (речь идет о методах add(), contains(), remove())

Заключение

В своей шпаргалке я постарался уделить внимание вопросам, которые быстрее всего забываю. Будет круто увидеть в комментариях замечания, дополнения или же ответы на вопросы, связанные со структурами данных в Java, которые вам задавали на собеседованиях. Надеюсь, что прочитанное было полезно и помогло освежить в памяти знания.

Желаю вам успехов и благодарю за интерес к моей публикации!

Источники