Java实现ArrayList和底层源码讲解

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目录

一. 模拟实现ArrayList​编辑

1.定义顺序顺序表

2. 函数实现

(1) 打印顺序表display()函数

(2) 新增元素函数add() (默认在数组最后新增)

(3) 在 pos 位置新增元素add()函数（与上方函数构成重载）

(4) 判定是否包含某个元素contains()函数

(5) 查找某个元素对应位置indexOf() 函数

(6) 获取pos位置的元素get()函数

(7) 将pos位置的元素更新为value set()函数

(8) 删除第一个关键字key remove()函数

(9) 获得顺序表的长度size()函数

(10) 清空顺序表clear()函数

 (11) 异常的定义：

3.测试代码

二. ArrayList底层的扩容机制

三.顺序表的优缺点

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 顺序表本质上就是一个数组，而顺序表就是实现对这个数组进行增删查改等操作方法的一个类，而Java中也有类似与顺序表的集合类：ArrayList 下面我会对这个类里面比较重要且常用的方法进行实现。

一. 模拟实现ArrayList

我们这里是模拟实现，所以实现基本功能即可

1.定义顺序顺序表

public class MyArrayList{
 
    public int[] elem;
    public int usedSize;//目前存储元素个数
    //默认容量
    private static final int DEFAULT_SIZE = 10;
 
    public MyArrayList() {
        this.elem = new int[DEFAULT_SIZE];
    }
}

上方定义类SeqList即是顺序表，定义elem数组存储数据，定义usedSize表示当前数组中包含多少个元素，定义DEFAULT_SIZE值为了在构造方法中将顺序表初始化为DEFAULT_SIZE大小的数组。

2. 函数实现

(1) 打印顺序表display()函数

 打印函数顾名思义就是将顺序表中所有的数据打印出来。打印完的标准就是将顺序表中的数组完全输出，因此用usedSize作为终止条件，

public void display() {
        for (int i = 0; i < this.usedSize; i++) {
            System.out.print(elem[i]+" ");
        }
        System.out.println();
    }

(2) 新增元素函数add() (默认在数组最后新增)

此函数是增加顺序表中元素的函数。增加元素时，有一点需要注意，你的顺序表是否含有空间放入新的元素。使用函数isFull()判断，若没有满就正常增加，若已满，先对顺序表扩容，再进行增加。

 如何判断顺序表满没满？当数组的长度等于数组中包含元素就为满。

当数据载入顺序表成功后，数组中包含元素个数usedSize就需要加1。

public void add(int data) {
        if (this.usedSize == elem.length) {
            this.elem = Arrays.copyOf(elem, elem.length * 2;
        }
        elem[usedSize] = data;
        usedSize++;
    }

(3) 在 pos 位置新增元素add()函数（与上方函数构成重载）

我们要判断传过来的下标的合法性；分析pos的取值范围：我们要把新增函数放到现在已有元素之间，因此我们可以知道，pos的范围应该是 0<=pos

再者这个函数功能也是添加，因此我们也需要判断顺序表空间的问题。

若我们插入的位置已有元素，我们需把从pos位置的元素向后移，为data数据挪开位置。

当数据载入顺序表成功后，数组中包含元素个数usedSize就需要加1。

public void add(int pos, int data) {
        if (pos < 0 || pos > usedSize) {
            throw new ArrayIndexException("下标非法，请检查");
        }
        if (this.usedSize == elem.length) {
            this.elem = Arrays.copyOf(elem, elem.length * 2;
        }
        for (int i = usedSize - 1; i >= pos; i--) {
            elem[i + 1] = elem[i];
        }
        elem[pos] = data;
        usedSize++;
    }

 下面动图演示:

(4) 判定是否包含某个元素contains()函数

 拿到需要找的数据toValue，遍历数组，将数组中的所有值与toValue进行比较，若数组中的值有与toValue相等，那么就返回true，否则返回false。

public boolean contains(int toValue) {
        for (int i = 0; i < usedSize; i++) {
            if (elem[i] == toValue) {
                return true;
            }
        }
        return false;
    }

(5) 查找某个元素对应位置indexOf() 函数

同上方思想一致，拿到需要找的数据toValue，遍历数组，将数组中的所有值与toValue进行比较，若数组中的值有与toValue相等，那么就返回下标i，否则返回-1。

public int indexOf(int toValue) {
        for (int i = 0; i < usedSize; i++) {
            if (elem[i] == toValue) {
                return i;
            }
        }
        return -1;
    }

(6) 获取pos位置的元素get()函数

我们要判断下标是否合法，我们需要顺序表中的元素，因此pos不能超过顺序表中第一个元素的下标和最后一个元素的下标，即下标是0<=pos

public int get(int pos) {
        if(pos<0||pos>=usedSize){
            throw new ArrayIndexException("下标非法，请查看!");
        }
        return elem[pos];
    }

(7) 将pos位置的元素更新为value set()函数

同上方一样，我们要判断下标是否合法，我们需要顺序表中的元素，因此pos不能超过顺序表中第一个元素的下标和最后一个元素的下标，即下标是0<=pos

public void set(int pos, int value) {
        if(pos<0||pos>=usedSize){
            throw new ArrayIndexException("下标错误，请查看!");
        }
        elem[pos] = value;
    }

(8) 删除第一个关键字key remove()函数

我们先调用indexOf()函数，判断顺序表中是否有我们删除的值，若有找到这个值的下标，没有就返回false。有就以覆盖的方式，将index下标的元素用他后一个元素覆盖，一直往复到最后一个元素，因为删除了一个元素，所以将usedSize减一，因为在覆盖时，最后一个元素是无效数据所以没有覆盖，我们将他置为0。

public boolean remove(int key) {
        int index = indexOf(key);
        if (index == -1) {
            System.out.println("没有这个数据");
            return false;
        }
        for (int i = index; i < usedSize - 1; i++) {
            elem[i] = elem[i + 1];
        }
        usedSize--;
        elem[usedSize] = 0;
        return true;
    }

 下面动图演示:

(9) 获得顺序表的长度size()函数

当前数组中包含多少个元素，顺序表就是多长，因此顺序表的长度就是usedSize的大小。

public int size() {
        return usedSize;
    }

(10) 清空顺序表clear()函数

因为所有的函数都是围绕这usedSisz进行构造的，我们只需将usedSize置为0，其他函数就无法进行运行（此处并非范例）

public void clear() {
        usedSize = 0;
    }

 (11) 异常的定义：

public class ArrayIndexException extends RuntimeException{
 
 
        public ArrayIndexException() {
        }
 
        public ArrayIndexException(String message) {
            super(message);
        }
}

3.测试代码

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        MyArrayList MyArrayList =new MyArrayList();
        //添加数据
        MyArrayList.add(1);
        MyArrayList.add(2);
        MyArrayList.add(3);
        MyArrayList.add(4);
        MyArrayList.add(5);
        //打印
        System.out.print("当前数组元素：");
        MyArrayList.display();
        //值所在的下标
        System.out.print("值所在的下标：");
        System.out.println(MyArrayList.indexOf(3));
        //是否包含这个值
        System.out.print("是否包含这个值：");
        System.out.println(MyArrayList.contains(2));
        //获得下标所在位置元素
        System.out.print("获得下标所在位置元素：");
        System.out.println(MyArrayList.get(3));
        //修改下标的值
        System.out.print("修改下标的值：");
        MyArrayList.set(3,12);
        MyArrayList.display();
        //删除关键字key
        System.out.print("删除关键字key：");
        MyArrayList.remove(2);
        MyArrayList.display();
        //获得长度
        System.out.print("获得当前顺序表长度：");
        System.out.println(MyArrayList.size());
    }
}

输出结果如下: 

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二. ArrayList底层的扩容机制

ArrayList是一个动态类型的顺序表，即在插入元素的时候会自动扩容，下面是扩容机制：

️总结：

✨当使用无参的构造方法创建ArrayList，容量默认值10在第一次插入的时候才会初始化初始容量，而不是在创建的时候就初始化容量

✨在插入时，会检测是否真正需要扩容，如果需要，调用grow扩容

✨初步预估按照原容量的1.5倍扩容
✨如果用户所需大小超过预估的1.5倍，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 

三.顺序表的优缺点

 顺序表也是分情况使用的，如何判断呢？总结了它的优缺点，可以作为参考。

  优点：

1. 无需为表示表中元素之间的逻辑关系而增加额外的存储空间。
2. 可以快速地获取表中任意位置的元素。

  缺点：

1. 插入和删除操作需要移动大量元素（时间复杂度高）。
2. 当线性表长度变化较大时，难以确定存储空间的容量。
3. 造成存储空间的“碎片”。（当我们添加元素时，例如我们有101个元素，数组初始大小为100，扩容为1.5倍，初始大小无法存储全部元素，因此需要扩容，扩容为150大小，这就浪费了49个空间）