图解ArrayList数据结构设计与应用案例

ArrayList 是 Java 中的一个动态数组实现，它继承自 AbstractList 并实现了 List 接口。ArrayList 提供了基于数组的实现，允许快速随机访问。由于它是动态数组，当数组容量不足以容纳更多元素时，它会进行自动扩容。ArrayList 是非线程安全的，意味着在单线程环境中它提供了较好的性能，但在多线程环境中需要额外的同步措施来保证线程安全。ArrayList 允许存储 null 元素，并且支持快速的元素插入和删除操作，尤其是在列表的末尾。它通常用于实现对元素顺序有要求的场景，如列表、堆栈等。

1、 ArrayList

ArrayList 是 Java 集合框架中的一个非常核心的类，实现了 List 接口。以下是 ArrayList 的设计：

设计思考：

1. 需求场景 ：
   • 在许多编程任务中，需要一个能够动态增长和收缩的数组。例如，在实现数据集合、缓冲区管理、实现其他数据结构（如栈、队列）等场景中，动态数组是非常有用的。
2. 现有技术局限性 ：
   • 传统的数组类型在 Java 中是固定长度的，一旦创建，其大小不能改变，这限制了其在需要动态大小管理时的使用。
3. 技术融合 ：
   • ArrayList 融合了动态数组的概念，提供了一个能够根据需要自动调整大小的数组。
4. 设计理念 ：
   • ArrayList 提供了一个能够根据添加元素的数量动态增长的数组，同时保持了随机访问的能力，使其在执行索引位置的查找时非常高效。
5. 实现方式 ：
   • ArrayList 内部使用一个可变大小的数组（默认为空，随着元素添加自动扩容）来存储元素，当数组容量不足以容纳更多元素时，会自动创建一个更大的新数组，并将旧数组中的元素复制到新数组中。

2、 数据结构

图说明：

• ArrayList :
  • Java 集合框架中的一个类，实现了 List 接口。
• Object[] elementData :
  • ArrayList 内部使用一个动态数组来存储元素，这个数组的类型是 Object[]，可以存储任何类型的对象。
  • 当数组容量不足以存储更多元素时，ArrayList 会自动进行扩容，通常是将数组大小增加到原来的1.5倍。
• int size :
  • 表示 ArrayList 中实际存储的元素数量。
  • size 与 elementData 数组的 length 属性不同，length 表示数组的总容量，而 size 表示当前存储的元素个数。

3、 执行流程

图说明：

• 初始化 ArrayList :
  • 创建一个空的 ArrayList 或指定初始容量的 ArrayList。
• 检查容量 :
  • 在添加元素前，检查当前数组容量是否足够。
• 添加元素 :
  • 尝试将新元素添加到 ArrayList。
• 容量不足 :
  • 如果当前容量不足以容纳新元素，进入扩容流程。
• 扩容 :
  • 创建一个新的数组，容量通常是原数组的1.5倍。
• 复制旧数组到新数组 :
  • 将旧数组中的所有元素复制到新数组中。
• 增加新元素 :
  • 在新数组中插入新元素。
• 获取元素 :
  • 根据索引获取元素。
• 索引检查 :
  • 检查索引是否在有效范围内。
• 返回元素 :
  • 返回指定索引处的元素。
• 删除元素 :
  • 删除 ArrayList 中的指定元素。
• 移除指定索引元素 :
  • 将指定索引处的元素移除。
• 数组元素向前移动 :
  • 将移除元素之后的元素向前移动一位，填补空位。

4、优点：

1. 随机访问性能高 ：
   • 提供了常数时间复杂度的随机访问能力。
2. 动态数组 ：
   • 可以根据需要动态增长和收缩，不需要预先指定大小。
3. 实现了 List 接口 ：
   • 提供了 List 接口定义的所有功能，包括列表操作、迭代器支持等。

5、缺点：

1. 插入和删除性能问题 ：
   • 在数组中间或开始插入或删除元素可能需要 O(n) 的时间，因为需要移动后续元素。
2. 内存开销
   • 相比于固定大小的数组，ArrayList 在扩容和复制旧数组时可能会有额外的内存开销。
3. 线程不安全 ：
   • ArrayList 本身不是线程安全的，需要外部同步来保证线程安全。

6、使用场景：

• 需要动态大小数组的场景，如实现数据集合、缓冲区管理等。
• 需要快速随机访问元素的场景。

7、类设计

8、应用案例

ArrayList 通常用于实现动态数组，它允许快速随机访问。这是一个订单处理系统，用于管理订单项：

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

// 订单项类
class OrderItem {
    private String productId;
    private int quantity;

    public OrderItem(String productId, int quantity) {
        this.productId = productId;
        this.quantity = quantity;
    }

    // 省略 getter 和 setter 方法
}

// 订单类
class Order {
    private String orderId;
    private List<OrderItem> items;

    public Order(String orderId) {
        this.orderId = orderId;
        this.items = new ArrayList<>();
    }

    public void addItem(OrderItem item) {
        items.add(item);
    }

    public List<OrderItem> getItems() {
        return items;
    }

    // 省略其他业务方法
}

// 订单管理系统类
class OrderManagementSystem {
    private List<Order> orders;

    public OrderManagementSystem() {
        orders = new ArrayList<>();
    }

    public void placeOrder(Order order) {
        orders.add(order);
    }

    public List<Order> getAllOrders() {
        return orders;
    }

    // 省略其他业务方法
}

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        OrderManagementSystem oms = new OrderManagementSystem();

        // 创建并添加订单
        Order order1 = new Order("ORD001");
        order1.addItem(new OrderItem("P001", 2));
        order1.addItem(new OrderItem("P002", 5));
        oms.placeOrder(order1);

        Order order2 = new Order("ORD002");
        order2.addItem(new OrderItem("P003", 8));
        oms.placeOrder(order2);

        // 获取所有订单
        List<Order> allOrders = oms.getAllOrders();
        for (Order order : allOrders) {
            System.out.println("Order ID: " + order.getOrderId());
            System.out.println("Items:");
            for (OrderItem item : order.getItems()) {
                System.out.println("Product ID: " + item.getProductId() + ", Quantity: " + item.getQuantity());
            }
        }
    }
}