数据结构之第四章、ArrayList和顺序表
一、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。
二、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。
2.1接口的实现
public class SeqList {
private int[] array;
private int size;
private static final DEFAULT_CAPACITY;
// 将顺序表的底层容量设置为DEFAULT_CAPACITY
SeqList(){ }
//判断是否达到容量
public boolean isFull();
//扩容机制
public void resize();
// 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) { }
//判断顺序表是否为空
public boolean isEmpty();
//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() { }
}
//---------------------------------------------------------------------------------------
//自定义异常
public class PosOutOfException extends RuntimeException；
2.2方法的实现
public class SeqList {
//定义数组
private int[] array;
//有效数据
private int usedsize;
private static final int DEFAULT_CAPACITY=5;
// 默认构造方法
// 将顺序表的底层容量设置为DEFAULT_CAPACITY
SeqList(){
this.array=new int[DEFAULT_CAPACITY];
}
// 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() {
for (int i = 0; i < usedsize; i++) {
System.out.print(array[i]);
}
System.out.println();
}
//判断是否达到容量
public boolean isFull(){
if(usedsize==DEFAULT_CAPACITY){
return false;
}
return true;
}
//扩容机制
public void resize(){
array=Arrays.copyOf(array,2* array.length);
}
// 新增元素,默认在数组最后新增
public void add(int data) {
if(isFull()){
resize();
}
this.array[usedsize]=data;
usedsize++;
}
// 在 pos 位置新增元素
public void add(int pos, int data) {
if(!Pos(pos)){
throw new posOutOfException();
}
if(isFull()){
resize();
}
//挪动数据
for (int i = this.usedsize-1; i >=pos; i--) {
this.array[i+1]=this.array[i];
}
this.array[pos]=data;
this.usedsize++;
}
// 判定是否包含某个元素
public boolean contains(int toFind) {
for (int i = 0; i < this.usedsize; i++) {
if(this.array[i]==toFind){
return true;
}
}
return false;
}
// 查找某个元素对应的位置
public int indexOf(int toFind) {
for (int i = 0; i < this.usedsize; i++) {
if(this.array[i]==toFind){
return i;
}
}
return -1;
}
//判断pos位置元素是否符合要求
public boolean Pos(int pos){
if(pos>=this.usedsize||pos<0){
return false;
}
return true;
}
// 获取 pos 位置的元素
public int get(int pos) {
if(Pos(pos)==true){
return array[pos];
}
throw new posOutOfException();
}
// 给 pos 位置的元素设为 value
public void set(int pos, int value) {
if(!Pos(pos)){
throw new posOutOfException("set数据时，位置不合法！");
}
this.array[pos]=value;
}
//删除第一次出现的关键字key
public void remove(int toRemove) {
if(isEmpty()){
return ;
}
int index=indexOf(toRemove);
if(indexOf(toRemove)==-1){
return ;
}
else{
for (int i = index; i < this.usedsize-1; i++) {
this.array[i] = this.array[i+1];
}
}
this.usedsize--;
}
//判断顺序表是否为空
public boolean isEmpty(){
return this.usedsize==0;
}
// 获取顺序表长度
public int size() {
return this.usedsize;
}
// 清空顺序表
public void clear() {
for (int i = 0; i < this.usedsize; i++) {
array[i]=0;
}
//引用类型：array[i]=null;
this.usedsize=0;
}
}三、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】
- 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
四、ArrayList使用
4.1ArrayList的构造
4.1.1ArrayList的无参构造
public static void main(String[] args) {
ArrayList list=new ArrayList<>();
list.add(10);
} 查看底层源码看ArrayList的底层代码实现：
再看add方法：
综上分析：
- 当调用不带参数的构造方法的时候，默认数组长度为0。
- 当第一次add的时候，才会分配内存，且分配内存的容量为10。
4.1.2指定顺序表初始容量的构造方法
public static void main(String[] args) {
ArrayList list=new ArrayList<>(10);
list.add(10);
} 查看相应源码：
4.1.3借助Collection构造
class People{
}
class Student extends People{
}
class Animal{
}
public class Demo1 {
public static void main(String[] args) {
ArrayList list=new ArrayList<>();
ArrayList list2=new ArrayList<>(list);//list是People的子类
ArrayList list3=new ArrayList<>();
ArrayList list4=new ArrayList<>(list3);
}
} 
构造方法小结：
public static void main(String[] args) {
// ArrayList创建，推荐写法
// 构造一个空的列表
List list1 = new ArrayList<>();
// 构造一个具有10个容量的列表
List list2 = new ArrayList<>(10);
list2.add(1);
list2.add(2);
list2.add(3);
// list2.add("hello"); // 编译失败，List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 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);
} 4.2ArrayList常见操作
常见方法如下：
4.2.1 add(E e)方法
public static void main(String[] args) {
ArrayList list=new ArrayList<>();
list.add(10);
list.add(150);
ArrayList list2=new ArrayList<>();
list2.add("Hello ");
list2.add("World!");
} 
4.2.2 add(int index,E element)方法
public static void main(String[] args) {
ArrayList list=new ArrayList<>();
list.add(10);
list.add(150);
list.add(1,20);
ArrayList list2=new ArrayList<>();
list2.add("Hello ");
list2.add("World!");
list2.add(0,"Java:");
System.out.println("=========");
} 
4.2.3 addAll(Collection c)方法
public static void main(String[] args) {
ArrayList list=new ArrayList<>();
list.add(10);
list.add(150);
list.add(1,20);
ArrayList list2=new ArrayList<>();
list2.add("Hello ");
list2.add("World!");
list2.add(0,"Java:");
ArrayList list3=new ArrayList<>();
list3.addAll(list2);
System.out.println("=========");
} 
4.2.4 remove(int index)方法
public static void main(String[] args) {
ArrayList list=new ArrayList<>();
list.add(10);
list.add(150);
list.add(1,20);
ArrayList list2=new ArrayList<>();
list2.add("Hello ");
list2.add("World!");
list2.add(0,"Java:");
list.remove(2);
list2.remove(0);
System.out.println("========");
} 
4.2.5 get(int index)方法
public static void main(String[] args) {
ArrayList list=new ArrayList<>();
list.add(10);
list.add(150);
list.add(1,20);
ArrayList list2=new ArrayList<>();
list2.add("Hello ");
list2.add("World!");
list2.add(0,"Java:");
System.out.println(list.get(1));
System.out.println(list2.get(0));
//20
//Java:
System.out.println("========");
} 4.2.6 set(int index,E element)方法
public static void main(String[] args) {
ArrayList list=new ArrayList<>();
list.add(10);
list.add(150);
list.add(1,20);
ArrayList list2=new ArrayList<>();
list2.add("Hello ");
list2.add("World!");
list2.add(0,"Java:");
list.set(1,30);
list2.set(0," ");
System.out.println("========");
} 
4.2.7 List subList(int fromIndex, int toIndex)方法注意事项
public static void main(String[] args) {
ArrayList list=new ArrayList<>();
list.add(10);
list.add(150);
list.add(1,20);
List list2=list.subList(0,2);
list2.set(0,100);
System.out.println("========");
} 
这里的截取并不是返回一个新的顺序表，而是指向截取的范围的引用。此时发生的并不是一个拷贝。功能总结练习：
public static void main(String[] args) {
List 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 ret = list.subList(0, 4);
System.out.println(ret);
list.clear();
System.out.println(list.size());
} 4.3ArrayList的遍历操作
ArrayList 可以使用三方方式遍历：for循环+下标、foreach、使用迭代器
4.3.1通过for循环遍历
public static void main(String[] args) {
ArrayList list=new ArrayList<>();
list.add(10);
list.add(150);
list.add(1,20);
System.out.println("========");
for (int i = 0; i < list.size(); i++) {
System.out.println(list.get(i));
}
//10
//20
//150
} 4.3.2通过for-each遍历
public static void main(String[] args) {
ArrayList list=new ArrayList<>();
list.add(10);
list.add(150);
list.add(1,20);
System.out.println("========");
for (Integer i:list) {
System.out.println(i);
}
//10
//20
//150
} 4.3.3通过迭代器遍历
public static void main(String[] args) {
ArrayList list=new ArrayList<>();
list.add(10);
list.add(150);
list.add(1,20);
System.out.println("========");
Iterator it=list.iterator();
while(it.hasNext()){
System.out.println(it.next());
}
//10
//20
//150
} 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，后序容器接触多了再给大家铺垫
4.4ArrayList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：
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
五、ArrayList的具体使用
5.1实现洗牌算法
public class Card {
//创建牌
private int rank;//牌面值
private String suit;//花色
//构造方法+set和get
public Card() {
}
public Card(int rank, String suit) {
this.rank = rank;
this.suit = suit;
}
public int getRank() {
return rank;
}
public void setRank(int rank) {
this.rank = rank;
}
public String getSuit() {
return suit;
}
public void setSuit(String suit) {
this.suit = suit;
}
//重写toString方法
public String toString(){
return suit+" "+rank;
}
}
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
import java.util.Random;
public class Cards {
//四种花色的字符串数组
private static final String[] SUITS={"♥","♠","♣","♦"};
public static List buyCard(){
//创建52张牌，每个花色13张牌
List list=new ArrayList<>();
for (int i=0;i list){
Random output=new Random();
for (int i = list.size()-1; i >0 ; i--) {
int j=output.nextInt(i);
//实现牌组的交换
Card tmp=list.get(i);
list.set(i,list.get(j));
list.set(j,tmp);
}
}
public static void main(String[] args) {
//置牌
List list=buyCard();
System.out.println(list);
System.out.println("洗牌：");
shuffle(list);
System.out.println(list);
System.out.println("发牌：");
List list1=new ArrayList();
List list2=new ArrayList<>();
List list3=new ArrayList<>();
//ArrayList构造方法
List> hand=new ArrayList<>();
hand.add(list1);
hand.add(list2);
hand.add(list3);
for (int i = 0; i < 14; i++) {
for (int j = 0; j < hand.size(); j++) {
//摸牌动作
Card tmp=list.remove(0);
hand.get(j).add(tmp);
}
}
System.out.println("第一个人的牌数：");
System.out.println(list1);
System.out.println("第二个人的牌数：");
System.out.println(list2);
System.out.println("第三个人的牌数：");
System.out.println(list3);
}
} 六、ArrayList的问题及思考
6.1顺序表的优点
- 根据指定下标（索引）去查找元素，效率非常高！时间复杂度为O(1)。
- 更新元素也很快：更新指定下标的元素。时间复杂度为O(1)。
6.2顺序表的缺点
- 每次插入数据，都需要移动元素。极端情况下，如果插入到0下标，那么移动的元素复杂度O(N)。
- 每次删除数据的时候，都需要移动元素。极端情况下，删除0下标的元素的时间复杂度为O(N)。
- 当容量满后进行1.5倍扩容。然后只放了一个元素，此时可能会浪费空间。
6.3总结
顺序表适用于经常进行查找元素或者更新元素的场景下，此时推荐使用顺序表。