数据结构（Java）—— ArrayList

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：

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；
3. 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；
4. 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：

 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falseif(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：

    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）：

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

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

// 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keyvoid 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

    public int[] elem;public int usedSize;public MyArrayList() {this.elem = new int[10];}@Overridepublic 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++;}@Overridepublic boolean isFull() {return usedSize == elem.length;}@Overridepublic 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!");}}@Overridepublic 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;}@Overridepublic int indexOf(int toFind) {for (int i = 0; i < usedSize; i++) {if(elem[i] == toFind) {return i;}}return -1;}@Overridepublic 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！");}}@Overridepublic void set(int pos, int value) {try {checkPosOfGetAndSet(pos);}catch (PosNotLegalException e) {e.printStackTrace();}elem[pos] = value;}@Overridepublic void remove(int toRemove) {//1、要查找是否存在要删除的关键字 toRemoveint 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--;}@Overridepublic int size() {return usedSize;}@Overridepublic void clear() {
//类型为包装类时使用/*for (int i = 0; i < usedSize; i++) {elem[i] = null;}*/usedSize = 0;}@Overridepublic 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

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！！！