1.线性表
线性表（ linear list）是n个具有相同特性的数据元素的有限序列。 线性表是一种在实际中广泛使用的数据结构，常见的线性表：顺序表、链表、栈、队列...
线性表在逻辑上是线性结构，也就说是连续的一条直线。但是在物理结构上并不一定是连续的，线性表在物理上存储时，通常以数组和链式结构的形式存储。
2. ArrayList 简介
在集合框架中， ArrayList 是一个普通的类，实现了 List 接口，具体框架图如下：
说明：
1. ArrayList 是以泛型方式实现的，使用时必须要先实例化
2. ArrayList 实现了 RandomAccess 接口，表明 ArrayList 支持随机访问
3. ArrayList 实现了 Cloneable 接口，表明 ArrayList 是可以 clone 的
4. ArrayList 实现了 Serializable 接口，表明 ArrayList 是支持序列化的
5. 和 Vector 不同， ArrayList 不是线程安全的，在单线程下可以使用，在多线程中可以选择 Vector 或者 CopyOnWriteArrayList
6. ArrayList 底层是一段连续的空间，并且可以动态扩容，是一个动态类型的顺序表
3. ArrayList 的使用
顺序表是用一段 物理地址连续 的存储单元依次存储数据元素的线性结构，一般情况下采用数组存储。在数组上完成数据的增删查改。
3.1 ArrayList 的构造方法
| 方法 | 说明 |
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ArrayList()
|
无参构造
|
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ArrayList (Collection<? extends E> c)
|
利用其他 Collection 构建 ArrayList
|
|
ArrayList (int initialCapacity)
|
指定顺序表初始容量
|
代码示例：
public static void main(String[] args) {
// ArrayList创建，推荐写法
// 构造一个空的列表
List<Integer> list = new ArrayList<>();
ArrayList<Integer> a1 = new ArrayList<>();
a1.add(1);
a1.add(2);
a1.add(3);
System.out.println(a1);
System.out.println("==============");
// 构造一个具有10个容量的列表
ArrayList<Integer> a2 = new ArrayList<>(10);
a2.add(11);
a2.add(22);
a2.add(33);
System.out.println(a2);
System.out.println("===============");
// a3构造好之后，与a2中的元素一致
ArrayList<Integer> a3 = new ArrayList<>(a2);
System.out.println(a3);
}运行结果：
注意:
1.List 是一个接口，通过list访问的是接口中的方法，是常用的构造方法
2.ArrayList的底层逻辑就是一个数组；
3. 第一种构造方法虽然没有定义表的容量，只是定义了一个数组引用；但是Add()方法会对没有容量的表进行定容；
4. 第二种构造方法定义了表的容量；
5.第三种构造方法是实现了 Collection 接口的，并且参数的类型时当前 a3 指定的泛型类型本身
3.2 ArrayList常见操作
ArrayList虽然提供的方法比较多，但是常用方法如下所示，需要用到其他方法时，兄弟们可以自行查看ArrayList的帮助文档。
| 方法 | 说明 |
|
boolean add(E e)
|
尾插 e
|
| void add(int index, E element) | 将 e 插入到 index 位置 |
| boolean addAll(Collection<? extends E> c) | 尾插 c 中的元素 |
| E remove(int index) | 删除 index 位置元素 |
| boolean remove(Object o) | 删除遇到的第一个 o |
| E get(int index) | 获取下标 index 位置元素 |
| E set(int index, E element) | 将下标 index 位置元素设置为 element |
| void clear() | 清空 |
| boolean contains(Object o) | 判断 o 是否在线性表中 |
| int indexOf(Object o) | 返回第一个 o 所在下标 |
| int lastIndexOf(Object o) | 返回最后一个 o 的下标 |
| List<E> subList(int fromIndex, int toIndex) | 截取部分 list |
代码示例：
public static void main(String[] args) {
List<String> list = new ArrayList<>();
list.add("JavaSE");
list.add("JavaWeb");
list.add("JavaEE");
list.add("JVM");
list.add("测试课程");
System.out.println(list);
System.out.println("==================");
// 获取list中有效元素个数
System.out.println("size: "+list.size());
System.out.println("==================");
// 获取和设置index位置上的元素，注意index必须介于[0, size)间
System.out.println(list.get(1));
list.set(1, "JavaWEB");
System.out.println("set and get:" + list.get(1));
System.out.println("==================");
// 在list的index位置插入指定元素，index及后续的元素统一往后搬移一个位置
list.add(1, "Java数据结构");
System.out.println("add(index,element)："+list);
System.out.println("==================");
// 删除指定元素，找到了就删除，该元素之后的元素统一往前搬移一个位置
list.remove("JVM");
System.out.println("remove"+list);
System.out.println("==================");
// 删除list中index位置上的元素，注意index不要超过list中有效元素个数,否则会抛出下标越界异常
list.remove(list.size()-1);
System.out.println("remove(index)"+list);
// 检测list中是否包含指定元素，包含返回true，否则返回false
if(list.contains("测试课程")){
list.add("测试课程");
System.out.println("contains");
System.out.println("==================");
}
// 查找指定元素第一次出现的位置：indexOf从前往后找，lastIndexOf从后往前找
list.add("JavaSE");
System.out.println("list.indexOf:"+list.indexOf("JavaSE"));
System.out.println("list.lastIndexOf:"+list.lastIndexOf("JavaSE"));
System.out.println("==================");
// 使用list中[0, 4)之间的元素构成一个新的SubList返回,但是和ArrayList共用一个elementData数组
List<String> ret = list.subList(0, 4);
System.out.println("subList:"+ret);
System.out.println("==================");
list.clear();
System.out.println("clear:"+list.size());
}运行结果如下：
3.3 ArrayList的遍历
ArrayList 可以使用三种方式遍历： for 循环 + 下标、 foreach 、使用迭代器
代码如下：
public static void main(String[] args) {
List<Integer> list = new ArrayList<>();
list.add(1);
list.add(2);
list.add(3);
list.add(4);
list.add(5);
// 使用下标+for遍历
System.out.println("=====fori====");
for (int i = 0; i < list.size(); i++) {
System.out.print(list.get(i) + " ");
}
System.out.println();
// 借助foreach遍历
System.out.println("=====foreach====");
for (Integer integer : list) {
System.out.print(integer + " ");
}
System.out.println();
System.out.println("=====Iterator====");
Iterator<Integer> it = list.listIterator();
while(it.hasNext()){
System.out.print(it.next() + " ");
}
}
运行结果如下：
注意：
1. ArrayList最常使用的遍历方式是：for循环+下标 以及 foreach
2. 迭代器是设计模式的一种
3.4 ArrayList的扩容机制
ArrayList 是一个动态类型的顺序表，即：在插入元素的过程中会自动扩容。以下是 ArrayList 源码中扩容方式（以JDK8为例）：
Object[] elementData; // 存放元素的空间
private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {}; // 默认空间
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10; // 默认容量大小
public boolean add(E e) {
ensureCapacityInternal(size + 1); // Increments modCount!!
elementData[size++] = e;
return true;
}
private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
ensureExplicitCapacity(calculateCapacity(elementData, minCapacity));
}
private static int calculateCapacity(Object[] elementData, int minCapacity) {
if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
return Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
}
return minCapacity;
}
private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
modCount++;
// overflow-conscious code
if (minCapacity - elementData.length > 0)
grow(minCapacity);
}
private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;
private void grow(int minCapacity) {
// 获取旧空间大小
int oldCapacity = elementData.length;
// 预计按照1.5倍方式扩容
int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
// 如果用户需要扩容大小 超过 原空间1.5倍，按照用户所需大小扩容
if (newCapacity - minCapacity < 0)
newCapacity = minCapacity;
// 如果需要扩容大小超过MAX_ARRAY_SIZE，重新计算容量大小
if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
// 调用copyOf扩容
elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
}
private static int hugeCapacity(int minCapacity) {
// 如果minCapacity小于0，抛出OutOfMemoryError异常
if (minCapacity < 0)
throw new OutOfMemoryError();
return (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ? Integer.MAX_VALUE : MAX_ARRAY_SIZE;
}总结：
1. 检测是否真正需要扩容，如果是调用grow准备扩容
2. 预估需要库容的大小
- 初步预估按照1.5倍大小扩容
- 如果用户所需大小超过预估1.5倍大小，则按照用户所需大小扩容
- 真正扩容之前检测是否能扩容成功，防止太大导致扩容失败
3. 使用 copyOf 进行扩容
4. ArrayList的模拟实现（以整型为例）
4.1 定义接口
定义ArrayList的基本功能
// 新增元素,默认在数组最后新增
void add(int data);
// 在 pos 位置新增元素
void add(int pos, int data);
// 判定是否包含某个元素
boolean contains(int toFind);
// 查找某个元素对应的位置
int indexOf(int toFind);
// 获取 pos 位置的元素
int get(int pos);
// 给 pos 位置的元素设为 value -> 更新
void set(int pos, int value);
//删除第一次出现的关键字key
void remove(int toRemove);
// 获取顺序表长度
int size();
// 清空顺序表
void clear();
// 打印顺序表，
// 注意：该方法并不是顺序表中的方法，为了方便看测试结果给出的
void display();
boolean isFull();4.2 实现功能
public int[] elem;
public int usedSize;
public MyArrayList() {
this.elem = new int[10];
}
@Override
public void add(int data) {
//如果满了 能放吗？
if(isFull()) {
//扩容
elem = Arrays.copyOf(elem,2*elem.length);
}
this.elem[usedSize] = data;
this.usedSize++;
}
@Override
public boolean isFull() {
return usedSize == elem.length;
}
@Override
public void add(int pos, int data) {
try {
checkPosOfAdd(pos);
}catch (PosNotLegalException e) {
e.printStackTrace();
}
if(isFull()) {
elem = Arrays.copyOf(elem,2*elem.length);
}
//移动元素
for (int i = usedSize-1; i >= pos; i--) {
elem[i+1] = elem[i];
}
//插入元素
elem[pos] = data;
usedSize++;
}
/*
该方法来 判断 添加元素时 pos是否合法
*/
private void checkPosOfAdd(int pos) throws PosNotLegalException{
if(pos < 0 || pos > usedSize) {
throw new PosNotLegalException("pos位置不合法!");
}
}
@Override
public boolean contains(int toFind) {
//只需要寻找usedSize次
for (int i = 0; i < usedSize; i++) {
if(elem[i] == toFind) {
return true;
}
}
return false;
}
@Override
public int indexOf(int toFind) {
for (int i = 0; i < usedSize; i++) {
if(elem[i] == toFind) {
return i;
}
}
return -1;
}
@Override
public int get(int pos) {
try {
checkPosOfGetAndSet(pos);
}catch (PosNotLegalException e) {
e.printStackTrace();
}
return elem[pos];
}
private void checkPosOfGetAndSet(int pos) throws PosNotLegalException{
if(pos < 0 || pos >= usedSize) {
throw new PosNotLegalException("get/set获取元素的时候" +
"pos位置不合法！");
}
}
@Override
public void set(int pos, int value) {
try {
checkPosOfGetAndSet(pos);
}catch (PosNotLegalException e) {
e.printStackTrace();
}
elem[pos] = value;
}
@Override
public void remove(int toRemove) {
//1、要查找是否存在要删除的关键字 toRemove
int pos = indexOf(toRemove);
if(pos == -1) {
System.out.println("没有要删除的数字！");
return;
}
for (int i = pos; i < usedSize-1; i++) {
elem[i] = elem[i+1];
}
usedSize--;
}
@Override
public int size() {
return usedSize;
}
@Override
public void clear() {
//类型为包装类时使用
/*for (int i = 0; i < usedSize; i++) {
elem[i] = null;
}*/
usedSize = 0;
}
@Override
public void display() {
for (int i = 0; i < usedSize; i++) {
System.out.print(elem[i] +" ");
}
System.out.println();
}
//自定义异常类
public class PosNotLegalException extends RuntimeException {
public PosNotLegalException() {
}
public PosNotLegalException(String msg) {
super(msg);
}
}注意：
1. 数组长度不代表有效数值个数，使用userdSize来记录有效数值个数
2. 对表进行增删查改时，先确认表是否为空或者满了，再进行操作
3.对表进行指定位置的删查改时，要确认该位置是否合法
4.进行clear时，整型逐一置为0，其他包装类逐一置为null
5.可根据自己需求，自定义异常类进行抛出
4.3 代码测试
MyArrayList myArrayList = new MyArrayList();
myArrayList.add(1);
myArrayList.add(2);
myArrayList.add(3);
myArrayList.display();
System.out.println("=======================");
myArrayList.add(1,4);
myArrayList.display();
System.out.println("=======================");
System.out.println("contains(3)："+myArrayList.contains(3));
System.out.println("=======================");
System.out.println("indexOf(2):"+myArrayList.indexOf(2));
System.out.println("=======================");
System.out.println("get(1):"+myArrayList.get(1));
System.out.println("=======================");
myArrayList.set(0,5);
myArrayList.display();
System.out.println("=======================");
myArrayList.remove(2);
myArrayList.display();
System.out.println("=======================");
System.out.println("size:"+myArrayList.size());
System.out.println("=======================");
myArrayList.clear();
System.out.println("clear:"+myArrayList.size());运行结果如下：
5. ArrayList的优缺点
5.1 优点
- 随机访问高效：由于ArrayList内部是一个数组，所以通过索引直接访问元素非常快，时间复杂度为O(1)。
- 增删元素方便：可以在任意位置插入和删除元素，不过插入和删除操作的时间复杂度分别为O(n)（因为需要移动其他元素）。
- 大小可变：ArrayList可以自动调整容量，无需预先指定固定大小。
5.2 缺点
- 空间效率：每次元素增加时，如果当前容量不足以容纳新元素，ArrayList会创建一个新的更大的数组并将所有元素复制过去，这可能导致内存浪费。
- 插入和删除效率较低：对于频繁的插入和删除操作，尤其是在列表的头部或尾部，ArrayList的性能不如LinkedList。
- 不适合大量读取而少修改的情况：当数据主要是用于查找而非频繁修改时，像HashMap这样的数据结构可能更合适。
本文是作者学习后的总结，如果有什么不恰当的地方，欢迎大佬指正！！！