Map和set是一种专门用来进行搜索的容器或者数据结构,其搜索的效率与其具体的实例化子类有关。以前常见的。
搜索方式有:
一般把搜索的数据称为关键字(Key),和关键字对应的称为值(Value),将其称之为Key-value的键值对,所以模型会有两种:
Map是一个接口类,该类没有继承自Collection,该类中存储的是<K,V>结构的键值对,并且K一定是唯一的,不能重复。
Map.Entry<K, V> 是Map内部实现的用来存放<key, value>键值对映射关系的内部类,该内部类中主要提供了<key, value>的获取,value的设置以及Key的比较方式。
方法 | 解释 |
---|---|
K getKey() | 返回 entry 中的 key |
V getValue() | 返回 entry 中的 value |
V setValue(V value) | 将键值对中的value替换为指定value |
注意:Map.Entry<K,V>并没有提供设置Key的方法
方法 | 解释 |
---|---|
V get(Object key) | 返回 key 对应的 value |
V getOrDefault(Object key, V defaultValue) | 返回 key 对应的 value,key 不存在,返回默认值 |
V put(K key, V value) | 设置 key 对应的 value |
V remove(Object key) | 删除 key 对应的映射关系 |
Set keySet() | 返回所有 key 的不重复集合 |
Collection values() | 返回所有 value 的可重复集合 |
Set<Map.Entry<K, V>> entrySet() | 返回所有的 key-value 映射关系 |
boolean containsKey(Object key) | 判断是否包含 key |
boolean containsValue(Object value) | 判断是否包含 value |
注意:
Map底层结构 | TreeMap | HashMap |
---|---|---|
底层结构 | 红黑树 | 哈希桶 |
插入/删除/查找时间复杂度 | O(log2N) | O(1) |
是否有序 | 关于Key有序 | 无序 |
线程安全 | 不安全 | 不安全 |
插入/删除/查找区别 | 需要进行元素比较 | 通过哈希函数计算哈希地址 |
比较与覆写 | key必须能够比较,否则会抛出ClassCastException异常 | 自定义类型需要覆写equals和 |
hashCode方法 | ||
应用场景 | 需要Key有序场景下 | Key是否有序不关心,需要更高的时间性能 |
import java.util.TreeMap;
import java.util.Map;
public static void TestMap1(){
Map<String, String> m = new TreeMap<>();
// put(key, value):插入key-value的键值对
// 如果key不存在,会将key-value的键值对插入到map中,返回null
m.put("林冲", "豹子头");
m.put("鲁智深", "花和尚");
m.put("武松", "行者");
m.put("宋江", "及时雨");
String str = m.put("李逵", "黑旋风");
System.out.println(m.size());
System.out.println(m);
// put(key,value): 注意key不能为空,但是value可以为空
// key如果为空,会抛出空指针异常
//m.put(null, "花名");
str = m.put("无名", null);
System.out.println(m.size());
// put(key, value):
// 如果key存在,会使用value替换原来key所对应的value,返回旧value
str = m.put("李逵", "铁牛");
// get(key): 返回key所对应的value
// 如果key存在,返回key所对应的value
// 如果key不存在,返回null
System.out.println(m.get("鲁智深"));
System.out.println(m.get("史进"));
//GetOrDefault(): 如果key存在,返回与key所对应的value,如果key不存在,返回一个默认值
System.out.println(m.getOrDefault("李逵", "铁牛"));
System.out.println(m.getOrDefault("史进", "九纹龙"));
System.out.println(m.size());
//containKey(key):检测key是否包含在Map中,时间复杂度:O(logN)
// 按照红黑树的性质来进行查找
// 找到返回true,否则返回false
System.out.println(m.containsKey("林冲"));
System.out.println(m.containsKey("史进"));
// containValue(value): 检测value是否包含在Map中,时间复杂度: O(N)
// 因为TreeMap是按照Key进行组织的,因此查找value时候就需要整体遍历
// 找到返回true,否则返回false
System.out.println(m.containsValue("豹子头"));
System.out.println(m.containsValue("九纹龙"));
// 打印所有的key
// keySet是将map中的key防止在Set中返回的
for(String s : m.keySet()){
System.out.print(s + " ");
}
System.out.println();
// 打印所有的value
// values()是将map中的value放在collect的一个集合中返回的
for(String s : m.values()){
System.out.print(s + " ");
}
System.out.println();
// 打印所有的键值对
// entrySet(): 将Map中的键值对放在Set中返回了
for(Map.Entry<String, String> entry : m.entrySet()){
System.out.println(entry.getKey() + "--->" + entry.getValue());
}
System.out.println();
}
Set的官方文档
Set与Map主要的不同有两点:Set是继承自Collection的接口类,Set中只存储了Key。
方法 | 解释 |
---|---|
boolean add(E e) | 添加元素,但重复元素不会被添加成功 |
void clear() | 清空集合 |
boolean contains(Object o) | 判断 o 是否在集合中 |
Iterator iterator() | 返回迭代器 |
boolean remove(Object o) | 删除集合中的 o |
int size() | 返回set中元素的个数 |
boolean isEmpty() | 检测set是否为空,空返回true,否则返回false |
Object[] toArray() | 将set中的元素转换为数组返回 |
boolean containsAll(Collection<?> c) | 集合c中的元素是否在set中全部存在,是返回true,否则返回false |
boolean addAll(Collection<? extends E> c) | 将集合c中的元素添加到set中,可以达到去重的效果 |
注意:
Set底层结构 | TreeSet | HashSet |
---|---|---|
底层结构 | 红黑树 | 哈希桶 |
插入/删除/查找时间复杂度 | O(log2N) | O(1) |
是否有序 | 关于Key有序 | 不一定有序 |
线程安全 | 不安全 | 不安全 |
插入/删除/查找区别 | 按照红黑树的特性来进行插入和删除 | 1. 先计算key哈希地址 2. 然后进行插入和删除 |
比较与覆写 | key必须能够比较,否则会抛出ClassCastException异常 | 自定义类型需要覆写equals和 |
hashCode方法 | ||
应用场景 | 需要Key有序场景下 | Key是否有序不关心,需要更高的时间性能 |
import java.util.TreeSet;
import java.util.Iterator;
import java.util.Set;
public static void TestSet(){
Set<String> s = new TreeSet<>();
// add(key): 如果key不存在,则插入,返回ture
// 如果key存在,返回false
boolean isIn = s.add("apple");
s.add("orange");
s.add("peach");
s.add("banana");
System.out.println(s.size());
System.out.println(s);
isIn = s.add("apple");
// add(key): key如果是空,抛出空指针异常
//s.add(null);
// contains(key): 如果key存在,返回true,否则返回false
System.out.println(s.contains("apple"));
System.out.println(s.contains("watermelen"));
// remove(key): key存在,删除成功返回true
// key不存在,删除失败返回false
// key为空,抛出空指针异常
s.remove("apple");
System.out.println(s);
s.remove("watermelen");
System.out.println(s);
// 抛出空指针异常
// s.remove(null);
Iterator<String> it = s.iterator();
while(it.hasNext()){
System.out.print(it.next() + " ");
}
System.out.println();
}
二叉搜索树又称二叉排序树,它或者是一棵空树**,或者是具有以下性质的二叉树:
若它的左子树不为空,则左子树上所有节点的值都小于根节点的值。
若它的右子树不为空,则右子树上所有节点的值都大于根节点的值。
它的左右子树也分别为二叉搜索树。
2. 如果树不是空树,按照查找逻辑确定插入位置,插入新结点
设待删除结点为 cur, 待删除结点的双亲结点为 parent
1 需要使用替换法进行删除,即在它的右子树中寻找中序下的第一个结点(关键码最小),用它的值填补到被删除节点中,再来处理该结点的删除问题
public class BinarySearchTree {
public static class Node {
int key;
Node left;
Node right;
public Node(int key) {
this.key = key;
}
}
private Node root = null;
/**
* 在搜索树中查找 key,如果找到,返回 key 所在的结点,否则返回 null
* @param key
* @return
*/
public Node search(int key) {
Node cur = root;
while (cur != null) {
if (key == cur.key) {
return cur;
} else if (key < cur.key) {
cur = cur.left;
} else {
cur = cur.right;
}
}
return null;
}
/**
* 插入
* @param key
* @return true 表示插入成功, false 表示插入失败
*/
public boolean insert(int key) {
if (root == null) {
root = new Node(key);
return true;
}
Node cur = root;
Node parent = null;
while (cur != null) {
if (key == cur.key) {
return false;
} else if (key < cur.key) {
parent = cur;
cur = cur.left;
} else {
parent = cur;
cur = cur.right;
}
}
Node node = new Node(key);
if (key < parent.key) {
parent.left = node;
} else {
parent.right = node;
}
return true;
}
/**
* 删除成功返回 true,失败返回 false
* @param key
* @return
*/
public boolean remove(int key) {
Node cur = root;
Node parent = null;
while (cur != null) {
if (key == cur.key) {
break;
} else if (key < cur.key) {
parent = cur;
cur = cur.left;
} else {
parent = cur;
cur = cur.right;
}
}
// 该元素不在二叉搜索树中
if(null == cur){
return false;
}
/*
根据cur的孩子是否存在分四种情况
1. cur左右孩子均不存在
2. cur只有左孩子
3. cur只有右孩子
4. cur左右孩子均存在
看起来有四种情况,实际情况1可以与情况2或者3进行合并,只需要处理是那种情况即可
除了情况4之外,其他情况可以直接删除
情况4不能直接删除,需要在其子树中找一个替代节点进行删除
*/
// 请同学们根据上课掌握内容,完成删除的关键部分代码
return true;
}
}
插入和删除操作都必须先查找,查找效率代表了二叉搜索树中各个操作的性能。
对有n个结点的二叉搜索树,若每个元素查找的概率相等,则二叉搜索树平均查找长度是结点在二叉搜索树的深度的函数,即结点越深,则比较次数越多。
但对于同一个关键码集合,如果各关键码插入的次序不同,可能得到不同结构的二叉搜索树:
最优情况下,二叉搜索树为完全二叉树,其平均比较次数为:log2(N)
最差情况下,二叉搜索树退化为单支树,其平均比较次数为:N/2
问题:如果退化成单支树,二叉搜索树的性能就失去了。那能否进行改进,不论按照什么次序插入关键码,都可以是二叉搜索树的性能最佳?
TreeMap 和 TreeSet 即 java 中利用搜索树实现的 Map 和 Set;实际上用的是红黑树,而红黑树是一棵近似平衡的二叉搜索树,即在二叉搜索树的基础之上 + 颜色以及红黑树性质验证,关于红黑树的内容后序再进行讲解。
顺序结构以及平衡树中,元素关键码与其存储位置之间没有对应的关系,因此在查找一个元素时,必须要经过关键码的多次比较。顺序查找时间复杂度为O(N),平衡树中为树的高度,即O( ),搜索的效率取决于搜索过程中元素的比较次数。
理想的搜索方法:可以不经过任何比较,一次直接从表中得到要搜索的元素。 如果构造一种存储结构,通过某种函数(hashFunc)使元素的存储位置与它的关键码之间能够建立一一映射的关系,那么在查找时通过该函数可以很快找到该元素。
当向该结构中:
插入元素
根据待插入元素的关键码,以此函数计算出该元素的存储位置并按此位置进行存放
搜索元素
对元素的关键码进行同样的计算,把求得的函数值当做元素的存储位置,在结构中按此位置取元素比较,若关键码相等,则搜索成功该方式即为哈希(散列)方法,哈希方法中使用的转换函数称为哈希(散列)函数,构造出来的结构称为哈希表(Hash Table)(或者称散列表)。
例如:数据集合{1,7,6,4,5,9};
哈希函数设置为:hash(key) = key % capacity; capacity为存储元素底层空间总的大小。
用该方法进行搜索不必进行多次关键码的比较,因此搜索的速度比较快 问题:按照上述哈希方式,向集合中插入元素44,会出现什么问题?
对于两个数据元素的关键字 和 (i != j),有 != ,但有:Hash( ) == Hash( ),即:不同关键字通过相同哈希哈数计算出相同的哈希地址,该种现象称为哈希冲突或哈希碰撞。
把具有不同关键码而具有相同哈希地址的数据元素称为“同义词”。
首先,我们需要明确一点,由于我们哈希表底层数组的容量往往是小于实际要存储的关键字的数量的,这就导致一个问题,冲突的发生是必然的,但我们能做的应该是尽量的降低冲突率。
引起哈希冲突的一个原因可能是:哈希函数设计不够合理。 哈希函数设计原则:
哈希函数的定义域必须包括需要存储的全部关键码,而如果散列表允许有m个地址时,其值域必须在0到m-1之间。
哈希函数计算出来的地址能均匀分布在整个空间中。
哈希函数应该比较简单。
常见哈希函数
负载因子和冲突率的关系粗略演示
所以当冲突率达到一个无法忍受的程度时,我们需要通过降低负载因子来变相的降低冲突率。
已知哈希表中已有的关键字个数是不可变的,那我们能调整的就只有哈希表中的数组的大小。
解决哈希冲突两种常见的方法是:闭散列和开散列
闭散列:也叫开放定址法,当发生哈希冲突时,如果哈希表未被装满,说明在哈希表中必然还有空位置,那么可以把key存放到冲突位置中的“下一个” 空位置中去。那如何寻找下一个空位置呢?
研究表明:当表的长度为质数且表装载因子a不超过0.5时,新的表项一定能够插入,而且任何一个位置都不会被探查两次。因此只要表中有一半的空位置,就不会存在表满的问题。在搜索时可以不考虑表装满的情况,但在插入时必须确保表的装载因子a不超过0.5,如果超出必须考虑增容。
因此:比散列最大的缺陷就是空间利用率比较低,这也是哈希的缺陷。
开散列法又叫链地址法(开链法),首先对关键码集合用散列函数计算散列地址,具有相同地址的关键码归于同一子集合,每一个子集合称为一个桶,各个桶中的元素通过一个单链表链接起来,各链表的头结点存储在哈希表中。
从上图可以看出,开散列中每个桶中放的都是发生哈希冲突的元素。
开散列,可以认为是把一个在大集合中的搜索问题转化为在小集合中做搜索了。
刚才我们提到了,哈希桶其实可以看作将大集合的搜索问题转化为小集合的搜索问题了,那如果冲突严重,就意味着小集合的搜索性能其实也时不佳的,这个时候我们就可以将这个所谓的小集合搜索问题继续进行转化,例如:
// key-value 模型
public class HashBucket {
private static class Node {
private int key;
private int value;
Node next;
public Node(int key, int value) {
this.key = key;
this.value = value;
}
}
private Node[] array;
private int size; // 当前的数据个数
private static final double LOAD_FACTOR = 0.75;
public int put(int key, int value) {
int index = key % array.length;
// 在链表中查找 key 所在的结点
// 如果找到了,更新
// 所有结点都不是 key,插入一个新的结点
for (Node cur = array[index]; cur != null; cur = cur.next) {
if (key == cur.key) {
int oldValue = cur.value;
cur.value = value;
return oldValue;
}
}
Node node = new Node(key, value);
node.next = array[index];
array[index] = node;
size++;
if (loadFactor() >= LOAD_FACTOR) {
resize();
}
return -1;
}
private void resize() {
Node[] newArray = new Node[array.length * 2];
for (int i = 0; i < array.length; i++) {
Node next;
for (Node cur = array[i]; cur != null; cur = next) {
next = cur.next;
int index = cur.key % newArray.length;
cur.next = newArray[index];
newArray[index] = cur;
}
}
array = newArray;
}
private double loadFactor() {
return size * 1.0 / array.length;
}
public HashBucket() {
array = new Node[8];
size = 0;
}
public int get(int key) {
int index = key % array.length;
Node head = array[index];
for (Node cur = head; cur != null; cur = cur.next) {
if (key == cur.key) {
return cur.value;
}
}
return -1;
}
}
虽然哈希表一直在和冲突做斗争,但在实际使用过程中,我们认为哈希表的冲突率是不高的,冲突个数是可控的,也就是每个桶中的链表的长度是一个常数,所以,通常意义下,我们认为哈希表的插入/删除/查找时间复杂度是O(1) 。