数据结构（Java）—— ArrayList

未梦来2024-11-28 13:49

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。

2. 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：

  1. ArrayList 是以泛型方式实现的，使用时必须要先实例化
  2. ArrayList 实现了 RandomAccess 接口，表明 ArrayList 支持随机访问
  3. ArrayList 实现了 Cloneable 接口，表明 ArrayList 是可以 clone 的
  4. ArrayList 实现了 Serializable 接口，表明 ArrayList 是支持序列化的
  5. 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
  6. 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

3. ArrayList 的使用

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。

3.1 ArrayList 的构造方法

|-----------------------------------------|------------------------------|
| 方法 | 说明 |
| 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 |

代码示例：

java 复制代码 
public static void main(String[] args) {
        // ArrayList创建，推荐写法
        // 构造一个空的列表
        List<Integer> list = new ArrayList<>();
        ArrayList<Integer> a1 = new ArrayList<>();
        a1.add(1);
        a1.add(2);
        a1.add(3);
        System.out.println(a1);
        System.out.println("==============");
        // 构造一个具有10个容量的列表
        ArrayList<Integer> a2 = new ArrayList<>(10);
        a2.add(11);
        a2.add(22);
        a2.add(33);
        System.out.println(a2);
        System.out.println("===============");
        // a3构造好之后，与a2中的元素一致
        ArrayList<Integer> a3 = new ArrayList<>(a2);
        System.out.println(a3);
    }

运行结果：

注意:

1.List 是一个接口，通过list访问的是接口中的方法，是常用的构造方法

2.ArrayList的底层逻辑就是一个数组；

  1. 第一种构造方法虽然没有定义表的容量，只是定义了一个数组引用；但是Add()方法会对没有容量的表进行定容；

  2. 第二种构造方法定义了表的容量；

5.第三种构造方法是实现了 Collection 接口的，并且参数的类型时当前 a3 指定的泛型类型本身

3.2 ArrayList****常见操作

ArrayList虽然提供的方法比较多，但是常用方法如下所示，需要用到其他方法时，兄弟们可以自行查看ArrayList的帮助文档。

|-----------------------------------------------|---------------------------|
| 方法 | 说明 |
| boolean add(E e) | 尾插 e |
| void add(int index, E element) | 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 位置元素 |
| E set(int index, E element) | 将下标 index 位置元素设置为 element |
| 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 的下标 |
| List<E> subList(int fromIndex, int toIndex) | 截取部分 list |

代码示例：

java 复制代码 
 public static void main(String[] args) {
        List<String> 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);
        System.out.println("==================");
// 获取list中有效元素个数
        System.out.println("size: "+list.size());
        System.out.println("==================");
// 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("set and get:" + list.get(1));
        System.out.println("==================");
// 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("add(index,element)："+list);
        System.out.println("==================");
// 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("remove"+list);
        System.out.println("==================");
// 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("remove(index)"+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");
            System.out.println("contains");
            System.out.println("==================");
        }
// 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:"+list.indexOf("JavaSE"));
        System.out.println("list.lastIndexOf:"+list.lastIndexOf("JavaSE"));
        System.out.println("==================");
// 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<String> ret = list.subList(0, 4);
        System.out.println("subList:"+ret);
        System.out.println("==================");
        list.clear();
        System.out.println("clear:"+list.size());

    }

运行结果如下：

3.3 ArrayList****的遍历

ArrayList 可以使用三种方式遍历： for 循环 + 下标、 foreach 、使用迭代器
代码如下：

java 复制代码 
    public static void main(String[] args) {
        List<Integer> list = new ArrayList<>();
        list.add(1);
        list.add(2);
        list.add(3);
        list.add(4);
        list.add(5);
         // 使用下标+for遍历
        System.out.println("=====fori====");
        for (int i = 0; i < list.size(); i++) {
            System.out.print(list.get(i) + " ");
        }
        System.out.println();
     // 借助foreach遍历
        System.out.println("=====foreach====");
        for (Integer integer : list) {
            System.out.print(integer + " ");
        }
        System.out.println();
        System.out.println("=====Iterator====");
        Iterator<Integer> it = list.listIterator();
        while(it.hasNext()){
            System.out.print(it.next() + " ");
        }
    }

运行结果如下：

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

3.4 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（以JDK8为例）：

java 复制代码 
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
  1. 使用 copyOf 进行扩容

4. ArrayList的模拟实现（以整型为例）

4.1 定义接口

定义ArrayList的基本功能

java 复制代码 
// 新增元素,默认在数组最后新增
    void add(int data);
    // 在 pos 位置新增元素
    void add(int pos, int data);
    // 判定是否包含某个元素
    boolean contains(int toFind);
    // 查找某个元素对应的位置
    int indexOf(int toFind);
    // 获取 pos 位置的元素
    int get(int pos);
    // 给 pos 位置的元素设为 value -> 更新
    void set(int pos, int value);
    //删除第一次出现的关键字key
    void remove(int toRemove);
    // 获取顺序表长度
    int size();
    // 清空顺序表
    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
    void display();

    boolean isFull();

4.2 实现功能

java 复制代码 
    public int[] elem;
    public int usedSize;

    public MyArrayList() {
        this.elem = new int[10];
    }

    @Override
    public void add(int data) {
        //如果满了 能放吗？
        if(isFull()) {
            //扩容
            elem = Arrays.copyOf(elem,2*elem.length);
        }
        this.elem[usedSize] = data;
        this.usedSize++;
    }

    @Override
    public boolean isFull() {
        return usedSize == elem.length;
    }

    @Override
    public void add(int pos, int data) {
        try {
            checkPosOfAdd(pos);
        }catch (PosNotLegalException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        if(isFull()) {
            elem = Arrays.copyOf(elem,2*elem.length);
        }
        //移动元素
        for (int i = usedSize-1; i >= pos; i--) {
            elem[i+1] = elem[i];
        }
        //插入元素
        elem[pos] = data;
        usedSize++;
    }

    /*
    该方法来 判断 添加元素时 pos是否合法
     */
    private void checkPosOfAdd(int pos) throws PosNotLegalException{
        if(pos < 0 || pos > usedSize) {
            throw new PosNotLegalException("pos位置不合法!");
        }
    }

    @Override
    public boolean contains(int toFind) {
        //只需要寻找usedSize次
        for (int i = 0; i < usedSize; i++) {
            if(elem[i] == toFind) {
                return true;
            }
        }
        return false;
    }

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

    @Override
    public int get(int pos) {
        try {
            checkPosOfGetAndSet(pos);
        }catch (PosNotLegalException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return elem[pos];
    }

    private void checkPosOfGetAndSet(int pos) throws PosNotLegalException{
        if(pos < 0 || pos >= usedSize) {
            throw new PosNotLegalException("get/set获取元素的时候" +
                    "pos位置不合法！");
        }
    }


    @Override
    public void set(int pos, int value) {
        try {
            checkPosOfGetAndSet(pos);
        }catch (PosNotLegalException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        elem[pos] = value;
    }

    @Override
    public void remove(int toRemove) {
        //1、要查找是否存在要删除的关键字 toRemove
        int pos = indexOf(toRemove);
        if(pos == -1) {
            System.out.println("没有要删除的数字！");
            return;
        }
        for (int i = pos; i < usedSize-1; i++) {
            elem[i] = elem[i+1];
        }
        usedSize--;
    }

    @Override
    public int size() {
        return usedSize;
    }

    @Override
    public void clear() {
//类型为包装类时使用
        /*for (int i = 0; i < usedSize; i++) {
            elem[i] = null;
        }*/
        usedSize = 0;
    }

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

//自定义异常类
public class PosNotLegalException extends RuntimeException {
    public PosNotLegalException() {

    }
    public PosNotLegalException(String msg) {
        super(msg);
    }
}

注意：

  1. 数组长度不代表有效数值个数，使用userdSize来记录有效数值个数

  2. 对表进行增删查改时，先确认表是否为空或者满了，再进行操作

3.对表进行指定位置的删查改时，要确认该位置是否合法

4.进行clear时，整型逐一置为0，其他包装类逐一置为null

5.可根据自己需求，自定义异常类进行抛出

4.3 代码测试

java 复制代码 
MyArrayList myArrayList = new MyArrayList();
    myArrayList.add(1);
    myArrayList.add(2);
    myArrayList.add(3);
        myArrayList.display();
        System.out.println("=======================");
        myArrayList.add(1,4);
      myArrayList.display();
        System.out.println("=======================");
        System.out.println("contains(3)："+myArrayList.contains(3));
        System.out.println("=======================");
        System.out.println("indexOf(2):"+myArrayList.indexOf(2));
        System.out.println("=======================");
        System.out.println("get(1):"+myArrayList.get(1));
        System.out.println("=======================");
        myArrayList.set(0,5);
       myArrayList.display();
        System.out.println("=======================");
        myArrayList.remove(2);
         myArrayList.display();
        System.out.println("=======================");
        System.out.println("size:"+myArrayList.size());
        System.out.println("=======================");
        myArrayList.clear();
        System.out.println("clear:"+myArrayList.size());

运行结果如下：

5. ArrayList的优缺点

5.1 优点

  • 随机访问高效：由于ArrayList内部是一个数组，所以通过索引直接访问元素非常快，时间复杂度为O(1)。
  • 增删元素方便：可以在任意位置插入和删除元素，不过插入和删除操作的时间复杂度分别为O(n)（因为需要移动其他元素）。
  • 大小可变：ArrayList可以自动调整容量，无需预先指定固定大小。

5.2 缺点

  • 空间效率：每次元素增加时，如果当前容量不足以容纳新元素，ArrayList会创建一个新的更大的数组并将所有元素复制过去，这可能导致内存浪费。
  • 插入和删除效率较低：对于频繁的插入和删除操作，尤其是在列表的头部或尾部，ArrayList的性能不如LinkedList。
  • 不适合大量读取而少修改的情况：当数据主要是用于查找而非频繁修改时，像HashMap这样的数据结构可能更合适。

本文是作者学习后的总结，如果有什么不恰当的地方，欢迎大佬指正！！！

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