关于golang:Go-的容器数据结构

Java 内置了丰盛的容器类，不同容器用于解决各种业务场景。Go 尽管语言设计上和 Java 有很多类似的中央，但原生并没有反对太多容器类的数据结构，只有 map 和 slice。规范库的 container package 对容器数据结构做了扩大，反对堆（Heap）、链表（LinkedList）和循环链表（Circular List）3 个容器。

相熟 C++ 和 Java 对容器应该都有清晰的理解，它是古代编程实际中不可或缺的一部分，具备多种形式，个别被形容为具备操作容器内容的办法的对象。Go 提供的根本容器次要有 6 个：

内置容器：
- map: 关联容器
- slice：动静扩容的程序容器
channels：队列
container 规范库（pkg/container）:
- list：链表容器
- ring：循环链表容器
- heap：堆容器，提供 heap 的实现

slice、map 和 channel 是 Go 最常见、也是内置的容器数据结构，其余容器都在规范库的 container 包下。在应用 container 三个容器的时候，不用再费神实现数据结构相干的算法。同时，因为container 提供的容器反对的入参类型都是 interface{}，所以只有实现了容器的 interface, 就能够解决任何类型的值。

链表容器 list 的代码是一个双向链表的实现。list 保护两个构造体：Element 和 List：

// Element is an element of a linked list.
type Element struct {
    // Next and previous pointers in the doubly-linked list of elements.
    // To simplify the implementation, internally a list l is implemented
    // as a ring, such that &l.root is both the next element of the last
    // list element (l.Back()) and the previous element of the first list
    // element (l.Front()).
    next, prev *Element

    // The list to which this element belongs.
    list *List

    // The value stored with this element.
    Value interface{}}

// List represents a doubly linked list.
// The zero value for List is an empty list ready to use.
type List struct {
    root Element // sentinel list element, only &root, root.prev, and root.next are used
    len  int     // current list length excluding (this) sentinel element
}

当通过 list.New() 创立一个 list 时，会初始化一个 Element 作为 Root Pointer，它要么指向列表的初始元素，要么为 nil。每一个 Element 除了数据字段 Value 外, 还有 prev 和 next 别离指向间接前驱和间接后继，来容许用户在 list 中前后挪动元素。

list 容器反对的办法如下：

type Element
    func (e *Element) Next() *Element
    func (e *Element) Prev() *Element
type List
    func New() *List
    func (l *List) Back() *Element   // 最初一个元素
    func (l *List) Front() *Element  // 第一个元素
    func (l *List) Init() *List  // 链表初始化
    func (l *List) InsertAfter(v interface{}, mark *Element) *Element // 在某个元素后插入
    func (l *List) InsertBefore(v interface{}, mark *Element) *Element  // 在某个元素前插入
    func (l *List) Len() int // 在链表长度
    func (l *List) MoveAfter(e, mark *Element)  // 把 e 元素挪动到 mark 之后
    func (l *List) MoveBefore(e, mark *Element)  // 把 e 元素挪动到 mark 之前
    func (l *List) MoveToBack(e *Element) // 把 e 元素挪动到队列最初
    func (l *List) MoveToFront(e *Element) // 把 e 元素挪动到队列最头部
    func (l *List) PushBack(v interface{}) *Element  // 在队列最初插入元素
    func (l *List) PushBackList(other *List)  // 在队列最初插入接上新队列
    func (l *List) PushFront(v interface{}) *Element  // 在队列头部插入元素
    func (l *List) PushFrontList(other *List) // 在队列头部插入接上新队列
    func (l *List) Remove(e *Element) interface{} // 删除某个元素

上面是 list 的一个简略例子：

package main

import (
    "container/list"
    "fmt"
)

func main() {
    // Create a new list and put some numbers in it.
    l := list.New()
    e4 := l.PushBack(4)
    e1 := l.PushFront(1)
    l.InsertBefore(3, e4)
    l.InsertAfter(2, e1)

    // Iterate through list and print its contents.
    for e := l.Front(); e != nil; e = e.Next() {fmt.Printf(".2d",e.Value)
    }

}

这段代码的输入是：1234。在初始化 list 后，在尾结点插入 4，在头结点插入 1；再在 4 前插入 3，在 1 后插入 2，所以后果是 1234。

list 在插入、删除数据的工夫复杂度在 $O(1)$；随机查找效率较低，为 $O(N)$（slice 随机查找的工夫效率为 $O(1)$）

链表容器常见的利用场景是用于做 LRU 缓存。

循环链表容器 ring 是一个没有头节点和尾节点的链表，这里能够看成是一个简化版的 list。ring 保护一个构造体 Ring:

// A Ring is an element of a circular list, or ring.
// Rings do not have a beginning or end; a pointer to any ring element
// serves as reference to the entire ring. Empty rings are represented
// as nil Ring pointers. The zero value for a Ring is a one-element
// ring with a nil Value.
//
type Ring struct {
    next, prev *Ring
    Value      interface{} // for use by client; untouched by this library}

但跟 list 不同的是 ring 的办法是不一样的：

type Ring
    func New(n int) *Ring  // 初始化环
    func (r *Ring) Do(f func(interface{}))  // 循环环进行操作
    func (r *Ring) Len() int // 环长度
    func (r *Ring) Link(s *Ring) *Ring // 连贯两个环
    func (r *Ring) Move(n int) *Ring // 指针从以后元素开始向后挪动或者向前（n 能够为正数）func (r *Ring) Next() *Ring // 以后元素的下个元素
    func (r *Ring) Prev() *Ring // 以后元素的上个元素
    func (r *Ring) Unlink(n int) *Ring // 从以后元素开始，删除 n 个元素

上面是 ring 的一个简略例子：

package main

import (
    "container/ring"
    "fmt"
)

func main() {

    // Create a new ring of size 5
    r := ring.New(5)

    // Get the length of the ring
    n := r.Len()

    // Initialize the ring with some integer values
    for i := 0; i < n; i++ {
        r.Value = i
        r = r.Next()}

    // Iterate through the ring and print its contents
    r.Do(func(p interface{}) {fmt.Printf("%d", p.(int))
    })

}

这段代码的输入是 01234。在初始化 ring 后，对每个元素的 Value 赋值，因为 ring 提供 Do 办法，所以遍历到以后元素的是时候，执行 Print 函数打印后果。

从 ring 的实现上能够晓得相干操作的工夫复杂度在 $O(N)$。因为 ring 节点没有头尾辨别和 FIFO 的个性，所以一个能用到的利用场景是环形缓冲区：在不生产资源的状况下提供对缓冲区的互斥拜访。

堆（Heap）就是用数组实现的齐全二叉树。依据堆的个性能够分为两种：最大堆和最小堆，两者的区别在于节点的排序形式上：

在最大堆中，父节点的值比每一个子节点的值都要大，堆最大元素在 root 节点
在最小堆中，父节点的值比每一个子节点的值都要小，堆最小元素在 root 节点

Go 的堆容器 heap 在实现上是一个最小堆，heap 保护一个 Interface 接口：

// Note that Push and Pop in this interface are for package heap's
// implementation to call. To add and remove things from the heap,
// use heap.Push and heap.Pop.
type Interface interface {
    sort.Interface
    Push(x interface{}) // add x as element Len()
    Pop() interface{}   // remove and return element Len() - 1.}

除了出堆办法 Push() 和入堆办法push()，Interface 内联了 sort.Interface, 它实现了三个办法：

// A type, typically a collection, that satisfies sort.Interface can be
// sorted by the routines in this package. The methods require that the
// elements of the collection be enumerated by an integer index.
type Interface interface {
    // Len is the number of elements in the collection.
    Len() int
    // Less reports whether the element with
    // index i should sort before the element with index j.
    Less(i, j int) bool
    // Swap swaps the elements with indexes i and j.
    Swap(i, j int)

只有实现了 Interface 办法的数据类型，就满足构建最小堆条件：

!h.Less(j, i) for 0 <= i < h.Len() and 2*i+1 <= j <= 2*i+2 and j < h.Len()

通过 heap.Init() 函数构建一个最小堆（按先序遍历排序的 slice），外部实现的 up() 和 down() 别离来对堆来进行上调整和下调整。

Push()：当往堆中插入一个元素的时候，这个元素插入到最右子树的最初一个节点中，而后调用up() 向上保障最小堆。
Pop()：当要从堆中推出一个元素的时候，先把这个元素和右子树最初一个节点替换，而后弹出最初一个节点，而后对 root 调用 down()，向下保障最小堆。

heap 容器反对的办法如下：

func Fix(h Interface, i int) // 在 i 地位更新数据，重建最小堆
func Init(h Interface) // 初始化，把 h 构建成最小堆 
func Pop(h Interface) interface{} // 出堆操作
func Push(h Interface, x interface{}) // 入堆操作
func Remove(h Interface, i int) interface{} // 移除第 i 个元素

上面是应用 heap 容器的一个例子，构建一个优先级队列 pq：

package main

import (
    "container/heap"
    "fmt"
)

type PriorityQueue []*Item

func (pq PriorityQueue) Len() int           { return len(pq) }
func (pq PriorityQueue) Less(i, j int) bool {return pq[i].priority > pq[j].priority }

func (pq PriorityQueue) Swap(i, j int) {pq[i], pq[j] = pq[j], pq[i]
    pq[i].index = i
    pq[j].index = j
}

func (pq *PriorityQueue) Push(x interface{}) {n := len(*pq)
    item := x.(*Item)
    item.index = n
    *pq = append(*pq, item)
}

func (pq *PriorityQueue) Pop() interface{} {
    old := *pq
    n := len(old)
    item := old[n-1]
    old[n-1] = nil  // avoid memory leak
    item.index = -1 // for safety
    *pq = old[0 : n-1]
    return item
}

func (pq *PriorityQueue) update(item *Item, value string, priority int) {
    item.value = value
    item.priority = priority
    heap.Fix(pq, item.index)
}

func main() {items := map[string]int{
        "banana": 3,
        "apple":  2,
        "pear":   4,
    }

    pq := make(PriorityQueue, len(items))
    i := 0
    for value, priority := range items {pq[i] = &Item{
            value:    value,
            priority: priority,
            index:    i,
        }
        i++
    }
    heap.Init(&pq)

    // insert a new item
    item := &Item{
        value:    "orange",
        priority: 1,
    }
    heap.Push(&pq, item)
    pq.update(item, item.value, 5)

    fmt.Printf("\nheap length: %d\n", len(pq))
    for pq.Len() > 0 {i := heap.Pop(&pq).(*Item)
        fmt.Printf("%.2d:%s\t", i.priority, i.value)
    }
    fmt.Printf("\nheap length: %d\n", len(pq))
}

这段代码的输入是 05:orange 04:pear 03:banana 02:apple。首先是定义一个 PriorityQueue 的构造体数组作为队列，有个 priority字段标识优先级，在 Less() 办法里比拟两个元素的优先级，队列 update()用于更新元素的优先级。而后每次在执行 heap.Pop(&pq).(*Item)操作，会把最小堆里高 priority 元素出堆。

heap 在初始化的时候，工夫复杂度在 $O(N)$；入堆、出堆、挪动元素和重建最小堆的工夫复杂度都是 $O(logN)$

堆容器在理论利用上是比拟常见的，在生产上常常用于实现优先级队列和高性能定时器。

本文次要梳理了 Go 的容器数据结构，剖析规范库里 container包实现的三个容器：list、ring 还有较简单的 heap，介绍它们的实现、个性和应用场景。尽管 slice 和 map 作为在 Go 中是常常被应用到的容器，但如果在理论开发中发现这两个数据结构并不满足咱们的需要，能够在 pkg/container 下搜寻是否有可用到的数据结构。

container pkg
Go Containers Explained In Color
container — 容器数据类型：heap、list 和 ring
Go Containers
堆 heap
数据后果 – 容器（汇合)
数据结构：堆
数据结构 | 双向链表简略实现和图示

关于golang:Go-的容器数据结构

前言

容器

container/list

container/ring

container/heap

小结

参考

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关于golang:Go-的容器数据结构

前言

容器

container/list

container/ring

container/heap

小结

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