List与ArrayList

羽翼~2023-09-17 23:28

目录

一、List及其使用

[1.1 List的概念](#1.1 List的概念)

[1.2 常见接口的介绍](#1.2 常见接口的介绍)

[1.3 List的使用](#1.3 List的使用)

二、线性表和顺序表

[2.1 线性表](#2.1 线性表)

[2.2 顺序表](#2.2 顺序表)

三、ArrayList介绍

四、ArrayList的使用

[4.1 ArrayList构造](#4.1 ArrayList构造)

[4.2 ArrayList的常用方法](#4.2 ArrayList的常用方法)

[4.3 ArrayList的遍历](#4.3 ArrayList的遍历)

[4.4 ArrayList的扩容机制](#4.4 ArrayList的扩容机制)

五、ArrayList的具体使用

[5.1 简单洗牌算法](#5.1 简单洗牌算法)

[5.2 杨辉三角](#5.2 杨辉三角)

六、ArrayList的问题

一、List及其使用

1.1 List的概念

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：

从数据结构角度看，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。

1.2 常见接口的介绍

List中有许多方法：

虽然方法多，但常用方法如下：

|-----------------------------------------------|-------------------------|
| 方法 | 解释 |
| boolean add(E e) | 尾插 e |
| void add(int index, E element) | 将 e 插入 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 位置的元素 |
| E set(int index, E element) | 将 index 位置的元素设置为element |
| void clear() | 清空 |
| boolean contains(Object o) | 判断 o 是否包含在线性表中 |
| int indexOf(Object o) | 返回第一个 o 的下标 |
| 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 |

1.3 List的使用

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。

二、线性表和顺序表

2.1 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 。 线性表是一种广泛使用的数据结构，常见线性表有：顺序表、链表、栈、队列......

2.2 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。

模拟实现顺序表中的常用函数

复制代码 
public interface IList {
    //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) ;
    // 查找某个元素对应的位置
    public int indexOf(int toFind);
    // 获取 pos 位置的元素
    public int get(int pos);
    // 给 pos 位置的元素设为 value  更新
    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();
    // 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();
    boolean isFull();
    public boolean isEmpty();
}
复制代码 
public class MyArrayList implements IList{
    private  int[] elem;
    private  int usedSize;
    //顺序表默认大小
    private static  int DEFAULT_Size=10;

    public MyArrayList(){
        elem=new int[DEFAULT_Size];
    }
    public  MyArrayList(int capacity){
        elem=new int[capacity];
        DEFAULT_Size=capacity;
    }

    //添加一个数据
    @Override
    public void add(int data) {
        chackCapacity();
        this.elem[usedSize]=data;
        this.usedSize++;
    }
    //检查容量
    private void chackCapacity(){
        if(isFull()){
            elem= Arrays.copyOf(elem,elem.length*2);
        }
    }

    //在pos插入一个数据
    @Override
    public void add(int pos, int data) {
        try {
            chackPosOnAddOrGetOrSet(pos);
        }catch (PosError e){
            e.printStackTrace();
            return;
        }
        chackCapacity();
        for (int i = usedSize; i >pos ; i++) {
            elem[i]=elem[i-1];
        }
        elem[pos]=data;
        usedSize++;
    }
    /*检查pos的合法性*/
    private void chackPosOnAddOrGetOrSet(int pos) throws PosError{
        if(pos<0||pos>=this.usedSize)
            throw new PosError("下标异常"+pos);
    }
    //判断顺序表是否包含toFind
    @Override
    public boolean contains(int toFind) {
        if(isEmpty())
            return false;
        for (int x:elem) {
            if(x==toFind)
                return true;
        }
        return false;
    }
    //获取toFing对应的下标
    @Override
    public int indexOf(int toFind) {
        for (int i = 0; i < this.usedSize; i++) {
            if(elem[i]==toFind)
                return i;
        }
        return -1;
    }
    //获取pos下标对应的元素值
    @Override
    public int get(int pos) {
        if(isEmpty())
            return -1;
        chackPosOnAddOrGetOrSet(pos);
        return this.elem[pos];
    }
    //设置下标为pos的元素值为value
    @Override
    public void set(int pos, int value) {
        chackPosOnAddOrGetOrSet(pos);
        elem[pos]=value;
    }
    //删除toRemove
    @Override
    public void remove(int toRemove) {
        int index=indexOf(toRemove);
        if(index<0){
            System.out.println("要删除的数不存在");
            return;
        }
        for(int i=index;i<this.usedSize-1;i++){
            this.elem[i]=this.elem[i+1];
        }
        this.usedSize--;
    }
    //获取当前顺序表的大小
    @Override
    public int size() {
        return this.usedSize;
    }
    //清空
    @Override
    public void clear() {
        for (int i = 0; i < usedSize; i++) {
            set(i,0);
        }
    }
    /*遍历顺序表当中的元素*/
    @Override
    public void display() {
        if(isEmpty()){
            throw new MyArrayIsEmpty("顺序表是空的");
        }
        for(int i=0;i<elem.length;i++){
            System.out.println(this.elem[i]+" ");
        }
        System.out.println();
    }
    /*判断顺序表是否已满*/
    @Override
    public boolean isFull() {
        /*if(usedSize==DEFAULT_Size)
                return true;
        else
            return false;*/
        return  usedSize==DEFAULT_Size;
    }

    @Override
    public boolean isEmpty() {
        return elem.length==0;
    }
}
复制代码 
public class MyArrayIsEmpty extends RuntimeException{
    public MyArrayIsEmpty(String massage){
        super(massage);
    }
}
复制代码 
public class PosError extends RuntimeException{
    public PosError(String massage){
        super(massage);
    }
}

三、ArrayList介绍

在集合框架中，ArrayList是一个普通的类，实现了List接口，具体框架如下：

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；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的使用

4.1 ArrayList构造

|----------------------------------------|------------------------------|
| 方法 | 解释 |
| ArrayList() | 无参构造 |
| 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 |

复制代码 
public static void main(String[] args) {
    //创建一个空列表 ArrayList()  默认size为0
    ArrayList<Integer> list1=new ArrayList<>();

    //创建一个容量为10的列表  ArrayList(int initialCapacity)创建指定容量的列表
    //ArrayList<Integer> 指定存放的元素类型为Integer
    ArrayList<Integer> list2=new ArrayList<>(10);
    list1.add(1);//第一次add时，底层数组size为10
    list1.add(2);
    list1.add(3);

    //ArrayList(Collection<? extends E> c)
    //参数c必须实现了Collection接口，是E的子类或E本身类型
    //list3的元素与list2相同
    ArrayList<Integer> list3=new ArrayList<>(list2);
}

使用不带参数newArrayList对象时，默认size为0，当第一次add时，底层数组size为10，当数组需要扩容时，是以当前数组size的1.5倍进行扩容。

4.2 ArrayList的常用方法

ArrayList提供方法比较多，但常用方法如下所示：

|-----------------------------------------------|-------------------|
| 方法 | 解释 |
| boolean add(E e) | 尾插 e |
| void add(int index, E e) | 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位置的元素 |
| boolean remove(Object o) | 删除遇到的第一个 o |
| E get(int index) | 获取下标 index 位置的元素 |
| E set(int index, E e) | 将下标 index位置元素设为 e |
| 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所在下标 |
| List<E> subList(int fromIndex, int toIndex) | 截取部分list |

复制代码 
public static void main(String[] args) {
    ArrayList<Integer> list1=new ArrayList<>(10);
    list1.add(1);
    list1.add(2);
    list1.add(3);
    list1.add(4);

    System.out.println(list1);// 1 2 3 4
    //获取list1中有效元素的个数并打印
    System.out.println(list1.size());//4

    System.out.println("====");
    //获取和设置index位置的元素
    System.out.println(list1.get(2));//3
    list1.set(2,99);
    System.out.println(list1.get(2));//99

    System.out.println("====");
    //在index位置插入value
    list1.add(2,88);
    System.out.println(list1);//1 2 88 99 4

    System.out.println("====");
    //删除指定元素
    list1.remove(new Integer(88));
    System.out.println(list1);//1 2 99 4
    //删除index位置的元素   index不能超过list1的有效元素个数
    list1.remove(2);
    System.out.println(list1);// 1 2 4

    System.out.println("====");
    //检查list1中是否包含value
    System.out.println(list1.contains(99));//false
    System.out.println(list1.contains(2));//true

    System.out.println("====");
    list1.add(2);
    list1.add(1);
    System.out.println(list1);//1 2 4 2 1
    //获取第一次出现value的下标
    System.out.println(list1.indexOf(1));//0
    //获取最后一次出现value的下标
    System.out.println(list1.lastIndexOf(1));//4

    System.out.println("====");
    //截取list1   List<E> subList(int fromIndex, int toIndex)
    List<Integer> list2=list1.subList(1,3);
    System.out.println(list2);//2 4

    //截取的list2并没有分配内存，只是list2这个引用指向下标为1~2的元素
    list2.set(0,10);
    System.out.println(list1);// 1 10 4 2 1
    System.out.println(list2);//10  4
}

4.3 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。

复制代码 
public static void main(String[] args) {
    ArrayList<Integer> list=new ArrayList<>();
    list.add(1);
    list.add(2);
    list.add(3);
    list.add(4);
    //for循环遍历
    for(int i=0;i<list.size();i++){
        System.out.print(list.get(i)+" ");
    }
    System.out.println();
    //foreach遍历
    for (Integer x:list){
        System.out.print(x+" ");
    }
    System.out.println();
    //迭代器遍历
    Iterator<Integer> it=list.iterator();
    while (it.hasNext()){
        System.out.print(it.next()+" ");
    }
}

4.4 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：

检测是否需要扩容，如果需要调用grow函数；估计容量大小，初步估计按1.5倍扩容，若用户所需超过估计的1.5倍大小，按用户所需大小扩容；扩容前进行检测是否能扩容；使用copyOf进行扩容。

五、ArrayList的具体使用

5.1 简单洗牌算法

复制代码 
public class Card {
    //花色
    private String design_and_color;
    //数值
    private int value;

    public Card(String design_and_color, int value) {
        this.design_and_color = design_and_color;
        this.value = value;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "花色："+design_and_color+" 数值："+value;
    }

    public String getDesign_and_color() {
        return design_and_color;
    }

    public void setDesign_and_color(String design_and_color) {
        this.design_and_color = design_and_color;
    }

    public int getValue() {
        return value;
    }

    public void setValue(int value) {
        this.value = value;
    }
}
复制代码 
public class CardText {
    //花色集合  红桃 ♥   黑桃  ♠   方块♦  梅花 ♣
    public static final String[] design_and_colors= {"♥", "♣", "♠", "♦"};
    //买一副牌
    public static List<Card> buyCard(){
        /*没有大小王，共52张牌，J Q K 分别用11 12 13代替*/
        List<Card> card=new ArrayList<>(52);
        for (int i = 0; i < 4; i++) {
            for(int j=1;j<=13;j++){
                Card card1=new Card(design_and_colors[i],j);
                card.add(card1);
            }
        }
        return card;
    }
    //洗牌
    public static  void brushCard(List<Card> cards){
        for (int i = 51; i >0 ; i--) {
            Random random=new Random(i);
            int j=random.nextInt(i);
            swap(cards,i,j);
        }
    }
    //交换两张牌
    public  static <j> void swap(List<Card> cards, int i,int j){
        Card tmp=cards.get(i);
        cards.set( i,cards.get(j));
        cards.set( j,tmp);

    }
    public static void main(String[] args) {
        //取一副牌
        List<Card> card=buyCard();
        System.out.println("拿到一副牌：");
        System.out.println(card);
        //洗牌
        brushCard(card);
        System.out.println("洗牌后：");
        System.out.println(card);
        //发牌 三人轮流拿牌，每人五张
        List<List<Card>> hands=new ArrayList<>();//hands代表三人各自取的牌
        hands.add(new ArrayList<>());//new ArrayList<>()代表每人手中的牌的集合
        hands.add(new ArrayList<>());
        hands.add(new ArrayList<>());
        for(int i=0;i<5;i++){
            for(int j=0;j<3;j++){
                hands.get(j).add(card.remove(0));
            }
        }
        System.out.println("第一个人手中的牌：");
        System.out.println(hands.get(0));

        System.out.println("第二个人手中的牌：");
        System.out.println(hands.get(1));

        System.out.println("第三个人手中的牌：");
        System.out.println(hands.get(2));
        System.out.println("剩余的牌：");
        System.out.println(card);
    }
}

5.2 杨辉三角

杨辉三角题目链接

复制代码 
public List<List<Integer>> generate(int numRows) {
    List<List<Integer>> list=new ArrayList<>();
    //设置第一行
    List<Integer> list2=new ArrayList<>();
    list2.add(1);
    list.add(list2);
    //设置剩余行
    for(int i=1;i<numRows;i++){
        //设置当前行
        List<Integer> tmp=new ArrayList<>();
        //设置当前行第一个数
        tmp.add(1);

        //获取前一行
        List<Integer> preRow=list.get(i-1);
        //设置当前行其他数
        for(int j=1;j<i;j++){
            int a=preRow.get(j-1)+preRow.get(j);
            tmp.add(a);
        }
        //设置当前行最后一个数
        tmp.add(1);

        list.add(tmp);
    }
    return list;
}

六、ArrayList的问题

  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移动，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，有不小的消耗。

  3. 增容一般是呈1.5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150，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45个数据空间。

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