List介绍

什么是List

• 在集合框架中，List是一个接口，继承自Collection

• Collection也是一个接口，该接口中规范了后序容器中常用的一些方法

• Iterable也是一个接口，表示实现该接口的类是可以逐个元素进行遍历的，具体如下：

List的官方文档

List (Java Platform SE 8 )List (Java Platform SE 8 )

站在数据结构的角度来看，List就是一个线性表，即n个具有相同类型元素的有限序列，在该序列上可以执行增删改查以及变量等操作
 

List常见接口介绍

List接口包括Collection接口的所有方法。 这是因为Collection是List的超级接口。

Collection接口中还提供了一些常用的List接口方法：

• add() - 将元素添加到列表

• addAll() - 将一个列表的所有元素添加到另一个

• get() - 有助于从列表中随机访问元素

• iterator() - 返回迭代器对象，该对象可用于顺序访问列表的元素

• set() - 更改列表的元素

• remove() - 从列表中删除一个元素

• removeAll() - 从列表中删除所有元素

• clear() - 从列表中删除所有元素（比removeAll()效率更高）

• size() - 返回列表的长度

• toArray() - 将列表转换为数组

• contains() -  如果列表包含指定的元素，则返回true

List的使用

注意：List是个接口，并不能直接用来实例化。 如果要使用，必须去实例化List的实现类。在集合框架中，ArrayList和LinkedList都实现了List接口

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

顺序表

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

接口的实现

public class SeqList {
    private int[] array;
    private int size;

    // 默认构造方法
    SeqList() {
    }

    // 将顺序表的底层容量设置为initcapacity
    SeqList(int initcapacity) {
    }

    // 新增元素,默认在数组最后新增
    public void add(int data) {
    }

    // 在 pos 位置新增元素
    public void add(int pos, int data) {
    }

    // 判定是否包含某个元素
    public boolean contains(int toFind) {
        return true;
    }

    // 查找某个元素对应的位置
    public int indexOf(int toFind) {
        return -1;
    }

    // 获取 pos 位置的元素
    public int get(int pos) {
        return -1;
    }

    // 给 pos 位置的元素设为 value
    public void set(int pos, int value) {
    }

    //删除第一次出现的关键字key
    public void remove(int toRemove) {
    }

    // 获取顺序表长度
    public int size() {
        return 0;
    }

    // 清空顺序表
    public 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
    public void display() {
    }
}

ArrayList的简介

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：

ArrayList使用

说明

• ArrayList是以泛型方式实现的，使用时必须要先实例化
• ArrayList实现了RandomAccess接口，表明ArrayList支持随机访问
• ArrayList实现了Cloneable接口，表明ArrayList是可以clone的
• ArrayList实现了Serializable接口，表明ArrayList是支持序列化的
• 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
• 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

ArrayList使用

ArrayList的构造

• ArrayList() 无参构造
• ArrayList(Collection c) 利用其他 Collection 构建 ArrayList
• ArrayList(int initialCapacity) 指定顺序表初始容量

public static void main(String[] args) {
// ArrayList创建，推荐写法
// 构造一个空的列表
    List<Integer> list1 = new ArrayList<>();
// 构造一个具有10个容量的列表
    List<Integer> list2 = new ArrayList<>(10);
    list2.add(1);
    list2.add(2);
    list2.add(3);
// list2.add("hello"); // 编译失败，List<Integer>已经限定了，list2中只能存储整形元素
// list3构造好之后，与list中的元素一致
    ArrayList<Integer> list3 = new ArrayList<>(list2);
// 避免省略类型，否则：任意类型的元素都可以存放，使用时将是一场灾难
    List list4 = new ArrayList();
    list4.add("111");
    list4.add(100);
}

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);
    // 获取list中有效元素个数
    System.out.println(list.size());
    // 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(list.get(1));
    // 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(list);
    // 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(list);
    // 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(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");
    }
    // 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("JavaSE"));
    System.out.println(list.lastIndexOf("JavaSE"));
    // 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(ret);
    list.clear();
    System.out.println(list.size());
}

ArrayList的遍历

ArrayList 可以使用三方方式遍历：for循环+下标、foreach、使用迭代器

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
    for (int i = 0; i < list.size(); i++) {
        System.out.print(list.get(i) + " ");
    }
    System.out.println();
    // 借助foreach遍历
    for (Integer integer : list) {
        System.out.print(integer + " ");
    }
    System.out.println();
    Iterator<Integer> it = list.listIterator();
    while (it.hasNext()) {
        System.out.print(it.next() + " ");
    }
    System.out.println();
}

注意：

• ArrayList最长使用的遍历方式是：for循环+下标 以及 foreach
• 迭代器是设计模式的一种

ArrayList的扩容机制

下面代码有缺陷吗？为什么？

public static void main(String[] args) {
    List<Integer> list = new ArrayList<>();
    for (int i = 0; i < 100; i++) {
        list.add(i);
    }
}

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：

transient Object[] elementData; // non-private to simplify nested class access
private int size;
//构造方法
public ArrayList( int initialCapacity){
    if (initialCapacity > 0) {
        this.elementData = new Object[initialCapacity];
    } else if (initialCapacity == 0) {
        this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
    } else {
        throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: " +
                initialCapacity);
    }
}
public void trimToSize() {
    modCount++;
    if (size < elementData.length) {
        elementData = (size == 0)
                ? EMPTY_ELEMENTDATA
                : Arrays.copyOf(elementData, size);
    }
}

    
public void ensureCapacity(int minCapacity) {
    if (minCapacity > elementData.length
            && !(elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA
            && minCapacity <= DEFAULT_CAPACITY)) {
        modCount++;
        grow(minCapacity);
    }
}

    private Object[] grow(int minCapacity) {
        int oldCapacity = elementData.length;
        if (oldCapacity > 0 || elementData != DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
            int newCapacity = ArraysSupport.newLength(oldCapacity,
                    minCapacity - oldCapacity, /* minimum growth */
                    oldCapacity >> 1           /* preferred growth */);
            return elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
        } else {
            return elementData = new Object[Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity)];
        }
    }
/*
这段代码是Java语言编写的，它定义了一个名为`grow`的方法，这个方法的作用是扩容一个数组，使其能够容纳更多的元素。这个方法是私有的，意味着它只能在定义它的类内部被调用。下面是对这个方法的逐行解释：

1. `private Object[] grow(int minCapacity) {`：定义了一个私有方法`grow`，它接受一个整型参数`minCapacity`，表示数组需要扩容到的最小容量，并返回一个`Object`类型的数组。

2. `int oldCapacity = elementData.length;`：获取当前数组`elementData`的容量，并将其存储在变量`oldCapacity`中。

3. `if (oldCapacity > 0 || elementData != DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {`：检查当前数组是否已经有容量（即不是默认的空数组）。`DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA`可能是一个常量，表示默认的空数组。

4. `int newCapacity = ArraysSupport.newLength(oldCapacity, minCapacity - oldCapacity, oldCapacity >> 1);`：调用`ArraysSupport.newLength`方法来计算新的容量。这个方法的参数包括：
   - `oldCapacity`：当前数组的容量。
   - `minCapacity - oldCapacity`：需要增加的最小容量。
   - `oldCapacity >> 1`：推荐的增长量，这里使用了右移操作符`>>`，相当于将`oldCapacity`除以2。

5. `return elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);`：使用`Arrays.copyOf`方法将当前数组`elementData`复制到一个新的数组中，新数组的容量为`newCapacity`。这个方法会返回新的数组，并且更新`elementData`引用指向这个新数组。

6. `} else {`：如果当前数组是空的（即没有容量），则执行else块中的代码。

7. `return elementData = new Object[Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity)];`：在这种情况下，创建一个新的`Object`数组，其容量是`DEFAULT_CAPACITY`和`minCapacity`中的最大值。`DEFAULT_CAPACITY`可能是一个定义了默认初始容量的常量。

8. `}`：方法的结束。

总的来说，这个方法的目的是确保`elementData`数组有足够的容量来存储至少`minCapacity`个元素。如果当前数组的容量已经足够，它将按照一定的增长策略（至少是当前容量的一半）来扩容。如果当前数组是空的，它将创建一个新的数组，其容量至少为`DEFAULT_CAPACITY`或`minCapacity`中的较大值。

*/

总结

• 检测是否真正需要扩容，如果是调用grow准备扩容
• 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
• 使用copyOf进行扩容

ArrayList的问题及思考

1. ArrayList底层使用连续的空间，任意位置插入或删除元素时，需要将该位置后序元素整体往前或者往后搬 移，故时间复杂度为O(N)
2. 增容需要申请新空间，拷贝数据，释放旧空间。会有不小的消耗
3. 增容一般是呈2倍的增长，势必会有一定的空间浪费。例如当前容量为100，满了以后增容到200，我们再继 续插入了5个数据，后面没有数据插入了，那么就浪费了95个数据空间

如何解决上述问题？