Java 数据结构深入理解ArrayList与顺序表

目录

• 一、ArrayList简介
• 二、ArrayList的使用
• 1、ArrayList的构造
• 2、ArrayList的遍历
• 3、ArrayList的常见操作(方法)
• 4、ArrayList的扩容机制
• 三、模拟实现一个顺序表(Object[])

一、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：

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。

二、ArrayList的使用

1、ArrayList的构造

方法	使用
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) {
        // 无参构造
        List list1 = new ArrayList<>();
        // 给定初始容量
        List list2 = new ArrayList<>(10);
        // 使用另外一个 ArrayList对其初始化
        List list3 = new ArrayList<>(list2);
        
		list1.add(1);
        list1.add(2);
        list1.add(3);
        // 其父类 AbstractCollection重写了 toString方法
        System.out.println(list1);// 输出 [1, 2, 3]

    }

2、ArrayList的遍历

1、遍历顺序表

2、for - each（实现了Iterable接口）

3、迭代器（实现了Iterable接口）

// 遍历顺序表
  for (int i = 0; i < list.size(); i++) {
      System.out.print(list.get(i));
  }
  // for - each 遍历
  for (String s : list) {
      System.out.print(s);
  }

  // 迭代器打印
  // 获取迭代器对象
  Iterator iterator = list.iterator();
  while (iterator.hasNext()) {
      // 获取下一个对象
      String next =  iterator.next();
      // 打印
      System.out.print(next);
  }
  // listIterator ---- 实现了 Iterator 接口
  ListIterator iterator2 = list.listIterator();
   while (iterator2.hasNext()) {
       String next =  iterator2.next();
       System.out.print(next);
   }

这里的 listIterator 实现了 Iterator 接口，从方法上，listIterator 有更多的功能（方法），例如在遍历的时候，进行添加元素 add()。

ListIterator iterator2 = list.listIterator();
while (iterator2.hasNext()) {
    String next =  iterator2.next();
    if (next.equals("hello")) {
        iterator2.add("三团");// 在 hello 的后面添加 三团
    }else{
        System.out.print(next + " ");
    }
}
System.out.println(list);// [hello, 三团, bit, world]

3、ArrayList的常见操作(方法)

方法	解释
boolean add(E e)	尾插 e
void add(int index, E element)	将 e 插入到 index 位置
boolean addAll(Collection c)	将集合 c 中的元素 尾插到该集合中
E remove(int index)	删除 index 位置元素并返回
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()	清空顺序表
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

	List list = new ArrayList<>();
	List listAdd = new ArrayList<>();
	listAdd.add("hello");
	listAdd.add("world");
	listAdd.add("你好~");
	
	list.add("哈哈");// 尾插元素
	list.add(0,"你好"); // 0 下标插入 "你好 "
	list.addAll(listAdd);// 将集合 listAdd 中的元素尾插到该集合中
	
	String s = list.remove(0);// 删除 index 位置元素并返回
	boolean s2 = list.remove("hello");// 删除遇到的第一个 hello，没找到则返回 false
	
	list.set(0,"we");
	
	list.indexOf("we");//返回第一个 "we" 所在下标
	list.lastIndexOf("we");// 返回最后一个 "we" 的下标
	
	System.out.println(list);
	// 截取子串 -- 左闭右开区间
	List sub = list.subList(1, 3);
	System.out.println(sub);
	list.set(2,"修改后的list");
	System.out.println(sub);

注意： 这里的 subList方法，并不是真正的返回一个截取部分的新地址，而是将原地址的截取部分返回，所以当修改原来的线性表中的元素时，子串中的内容也会发生改变。

4、ArrayList的扩容机制

1、当调用无参构造时，即List< String > list = new ArrayList<>()，底层还没有分配真正的内存（初始化是一个空数组），初始容量为 0。当第一次添加元素（调用 add 方法） 时，整个顺序表的容量被扩充为10，放满后，以 1.5 倍扩容。

2、当调用带容量的构造方法时，例如 List< String > list = new ArrayList<>(16)，顺序表初始容量就为16，放满后以 1.5 倍扩容。

结论

如果调用无参构造方法，顺序表初始大小为0，当第一次放入元素时，整个顺序表容量变为10，当放满10个元素，进行1.5倍扩容。

如果调用给定容量的构造方法，初始大小就是给定的容量，当放满了，就进行1.5倍扩容。

三、模拟实现一个顺序表(Object[])

public class MyArrayList {

    private Object[] elementData;// 数组
    private int usedSize;// 代表有效的数据个数
    private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};

    public MyArrayList() {
        this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
    }
    public MyArrayList(int capacity) {
        // 判断参数的合法性
        if (capacity >= 0) {
            this.elementData = new Object[capacity];
        }else {
            throw new RuntimeException("初始化的容量不能为负数！");
        }
    }

    /**
     * 添加元素
     * @param e 要添加的元素
     */
    public boolean add(E e) {
        // 确定一个真正的容量,预测 -> 如需扩容则扩容
        ensureCapacityInternal(usedSize + 1);
        // 扩容完毕，放数据
        elementData[usedSize++] = e;
        return true;
    }

    /**
     * 给 index位置添加元素
     * @param index
     * @param e
     */
    public boolean add(int index, E e) {
        // 检查 index 是否合法
        rangeCheckForAdd(index);
        // 确定一个真正的容量 -> 如需扩容则扩容
        ensureExplicitCapacity(usedSize + 1);
        // 移动 index后面的元素,并在 index位置插入元素
        copy(index,e);
        usedSize++;
        return true;
    }
    private void copy(int index, E e){
        for (int i = usedSize; i > index; i--) {
            elementData[i] = elementData[i - 1];
        }
        elementData[index] = e;
    }
    private void rangeCheckForAdd(int index) {
        if (index > usedSize || index < 0)
            throw new IndexOutOfBoundsException("index位置不合法！");
    }



    public void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
        // 计算出需要的容量
        int capacity = calculateCapacity(elementData, minCapacity);
        // 根据计算出的容量，看是否需要扩容或者分配内存
        ensureExplicitCapacity(capacity);
    }

    private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
        // 如果需要的容量大于数组容量，就扩容
        if (minCapacity - elementData.length > 0)
            // 扩容
            grow(minCapacity);
    }

    private static final int MAX_ARRAY_SIZE  = Integer.MAX_VALUE - 8;
    private void grow(int minCapacity) {
        // overflow-conscious code
        int oldCapacity = elementData.length;
        int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
        if (newCapacity - minCapacity < 0)
            newCapacity = minCapacity;
        if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
            // 说明你要的容量非常大，就分配更大的内存
            newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);;
        elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
    }

    private static int hugeCapacity(int minCapacity) {
        if (minCapacity < 0) // overflow
            throw new OutOfMemoryError();
        return (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ?
                Integer.MAX_VALUE :
                MAX_ARRAY_SIZE;
    }

    private static int calculateCapacity(Object[] elementData, int minCapacity) {
        // 确定之前数组是否分配过内存，没有的话返回一个初始化的容量 10
        if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
            return Math.max(10, minCapacity);
        }
        // 分配后，返回 +1 后的值，即实际所需要的容量
        return minCapacity;
    }
}

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