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本文轉(zhuǎn)載自微信公眾號(hào)「貝塔學(xué)JAVA」，作者Silently9527。轉(zhuǎn)載本文請(qǐng)聯(lián)系貝塔學(xué)JAVA公眾號(hào)。

前言

JAVA中的Map主要就是將一個(gè)鍵和一個(gè)值聯(lián)系起來。雖然JAVA中已經(jīng)提供了很多Map的實(shí)現(xiàn)，為了學(xué)習(xí)并掌握常用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，從本篇開始我將自己實(shí)現(xiàn)Map的功能，本篇主要是通過數(shù)組和鏈表兩種方式實(shí)現(xiàn)，之后提供二叉樹，紅黑樹，散列表的版本實(shí)現(xiàn)。通過自己手寫各個(gè)版本的Map實(shí)現(xiàn)，掌握每種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，可以在實(shí)際的工作中根據(jù)需要選擇適合的Map。

Map API的定義

在開始之前，我們需要先定義出Map的接口定義，后續(xù)的版本都會(huì)基于此接口實(shí)現(xiàn)

public interface Map<K, V> { 
    void put(K key, V value); 
 
    V get(K key); 
 
    void delete(K key); 
     
    int size(); 
 
    Iterable<K> keys(); 
 
    default boolean contains(K key) { 
        return get(key) != null; 
    } 
 
    default boolean isEmpty() { 
        return size() == 0; 
    } 
} 

這個(gè)接口是最簡(jiǎn)單的一個(gè)Map定義，相信這些方法對(duì)于java程序員來說不會(huì)陌生;

基于鏈表實(shí)現(xiàn)Map

基于鏈表實(shí)現(xiàn)首先我們需要定義一個(gè)Node節(jié)點(diǎn)，表示我們需要存儲(chǔ)的key、vlaue

class Node { 
    K key; 
    V value; 
    Node next; 
 
    public Node(K key, V value, Node next) { 
        this.key = key; 
        this.value = value; 
        this.next = next; 
    } 
 
} 

get方法的實(shí)現(xiàn)思路是遍歷鏈表，然后比較每個(gè)Node中的key是否相等，如果相等就返回value，否則返回null

@Override 
public V get(K key) { 
    return searchNode(key).map(node -> node.value).orElse(null); 
} 
 
public Optional<Node> searchNode(K key) { 
    for (Node node = root; node != null; node = node.next) { 
        if (node.key.equals(key)) { 
            return Optional.of(node); 
        } 
    } 
    return Optional.empty(); 
} 

put方法的實(shí)現(xiàn)思路也是遍歷鏈表，然后比較每個(gè)Node的key值是否相等，如果相等那么覆蓋掉value，如果未查找到有key相等的node，那么就新建一個(gè)Node放到鏈表的開頭

@Override 
public void put(K key, V value) { 
    Optional<Node> optionalNode = searchNode(key); 
 
    if (optionalNode.isPresent()) { 
        optionalNode.get().value = value; 
        return; 
    } 
    this.root = new Node(key, value, root); 
} 

delete方法實(shí)現(xiàn)同樣也需要遍歷鏈表，因?yàn)槲覀兊氖菃蜗蜴湵?，刪除某個(gè)節(jié)點(diǎn)有兩種思路，第一種，在遍歷鏈表的時(shí)候記錄下當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的上一個(gè)節(jié)點(diǎn)，把上一個(gè)節(jié)點(diǎn)的next指向當(dāng)前節(jié)點(diǎn)next;第二種，當(dāng)遍歷到需要?jiǎng)h除的節(jié)點(diǎn)時(shí)，把需要?jiǎng)h除節(jié)點(diǎn)的next的key、value完全復(fù)制到需要?jiǎng)h除的節(jié)點(diǎn)，把next指針指向next.next，比如：first - > A -> B -> C -> D -> E -> F -> G -> NULL,要?jiǎng)h除 C 節(jié)點(diǎn)，就把D節(jié)點(diǎn)完全復(fù)制到c中，然后C -> E，變相刪除了C

@Override 
public void delete(K key) { 
// 第一種實(shí)現(xiàn)： 
//        for (Node node = first, preNode = null; node != null; preNode = node, node = node.next) { 
//            if (node.key.equals(key)) { 
//                if (Objects.isNull(preNode)) { 
//                    first = first.next; 
//                } else { 
//                    preNode.next = node.next; 
//                } 
//            } 
//        } 
 
// 第二中實(shí)現(xiàn): 
    for (Node node = first; node != null; node = node.next) { 
        if (node.key.equals(key)) { 
            Node next = node.next; 
            node.key = next.key; 
            node.value =next.value; 
            node.next = next.next; 
        } 
    } 
} 

分析上面基于鏈表實(shí)現(xiàn)的map，每次的put、get、delete都需要遍歷整個(gè)鏈表，非常的低效，無法處理大量的數(shù)據(jù)，時(shí)間復(fù)雜度為O(N)

”

基于數(shù)組實(shí)現(xiàn)Map

基于鏈表的實(shí)現(xiàn)非常低效，因?yàn)槊看尾僮鞫夹枰闅v鏈表，假如我們的數(shù)據(jù)是有序的，那么查找的時(shí)候我們可以使用二分查找法，那么get方法會(huì)加快很多

為了體現(xiàn)出我們的Map是有序的，我們需要重新定義一個(gè)有序的Map

public interface SortedMap<K extends Comparable<K>, V> extends Map<K, V> { 
    int rank(K key); 
} 

該定義要求key必須實(shí)現(xiàn)接口Comparable，rank方法如果key值存在就返回對(duì)應(yīng)在數(shù)組中的下標(biāo)，如果不存在就返回小于key鍵的數(shù)量

• 在基于數(shù)組的實(shí)現(xiàn)中，我們會(huì)定義兩個(gè)數(shù)組變量分部存放keys、values;
• rank方法的實(shí)現(xiàn)：由于我們整個(gè)數(shù)組都是有序的，我們可以二分查找法(可以查看《老哥是時(shí)候來復(fù)習(xí)下數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法了》)，如果存在就返回所在數(shù)組的下表，如果不存在就返回0

@Override 
public int rank(K key) { 
    int lo = 0, hi = size - 1; 
    while (lo <= hi) { 
        int mid = (hi - lo) / 2 + lo; 
        int compare = key.compareTo(keys[mid]); 
        if (compare > 0) { 
            lo = mid + 1; 
        } else if (compare < 0) { 
            hi = mid - 1; 
        } else { 
            return mid; 
        } 
    } 
    return lo; 
} 

get方法實(shí)現(xiàn)：基于rank方法，判斷返回的keys[index]與key進(jìn)行比較，如果相等返回values[index]，不相等就返回null

@Override 
public V get(K key) { 
    int index = this.rank(key); 
    if (index < size && key.compareTo(keys[index]) == 0) { 
        return values[index]; 
    } 
    return null; 
} 

put方法實(shí)現(xiàn)：基于rank方法，判斷返回的keys[index]與key進(jìn)行比較，如果相等直接修改values[index]的值，如果不相等表示不存在該key，需要插入并且移動(dòng)數(shù)組

@Override 
public void put(K key, V value) { 
    int index = this.rank(key); 
    if (index < size && key.compareTo(keys[index]) == 0) { 
        values[index] = value; 
        return; 
    } 
 
    for (int j = size; j > index; j--) { 
        this.keys[j] = this.keys[j--]; 
        this.values[j] = this.values[j--]; 
    } 
    keys[index] = key; 
    values[index] = value; 
    size++; 
} 

delete方法實(shí)現(xiàn)：通過rank方法判斷該key是否存在，如果不存在就直接返回，如果存在需要移動(dòng)數(shù)組

@Override 
public void delete(K key) { 
    int index = this.rank(key); 
    if (Objects.isNull(keys[index]) || key.compareTo(keys[index]) != 0) { 
        return; 
    } 
    for (int j = index; j < size - 1; j++) { 
        keys[j] = keys[j + 1]; 
        values[j] = values[j + 1]; 
    } 
    keys[size - 1] = null; 
    values[size - 1] = null; 
    size--; 
} 

基于數(shù)組實(shí)現(xiàn)的Map，雖然get方法采用的二分查找法，很快O(logN)，但是在處理大量數(shù)據(jù)的情況下效率依然很低，因?yàn)閜ut方法還是太慢;下篇我們將基于二叉樹來實(shí)現(xiàn)Map，繼續(xù)改進(jìn)提升效率

”

文中所有源碼已放入到了github倉庫https://github.com/silently9527/JavaCore