Collection与数据结构 顺序表与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. 顺序表

顺序表是一段物理空间连续的线性表,在底层一般使用数组来实现,在数组的基础上完成增删查改.下面是顺序表的一些接口.

2.1 接口

public interface Ilist {void add(int data);//为顺序表的尾部增加元素void add(int data ,int pos);//为指定位置添加元素void display();//打印顺序表int size ();//检测顺序表中元素的个数boolean contains(int toFind);//检测顺序表中是否包含该元素int indexOf(int toFind);//返回所要寻找第一个元素的下标int get(int index);//获取指定下标的元素void set(int index,int val);//把指定下标的元素指定为指定元素void remove(int toRomve);//移除第一个指定的元素void clear();//清空顺序表
}

下面我们来实现这些接口:

import java.util.Arrays;/*** 顺序表底层是用数组来实现的*/
public class MyArrayList implements Ilist {private int[] elem;private int size;//记录有效数据public static final int DEFAULT_CAPACITY = 5;//默认容量private boolean isFull(){return size == elem.length;//判断顺序表的容量是否为满}private void checkPos(int pos){if (pos < 0 || pos >= size){throw new PosException("pos is false");//判断插入位置是否合法}}private boolean isEmpty(){return this.size == 0;}public MyArrayList() {this.elem = new int[DEFAULT_CAPACITY];//默认容量为5this.size = 0;}//无参数的构造方法public void add(int data){//在末尾的位置添加元素if (isFull()){elem = Arrays.copyOf(elem,elem.length*2);//扩容}elem [size] = data;size++;}public void add(int data ,int pos){//在指定位置添加元素checkPos(pos);if (isFull()){elem = Arrays.copyOf(elem,elem.length*2);//扩容}for (int i = size-1; i >= pos ; i--) {//数组整体后移elem [i+1] = elem [i];}elem[pos] = data;size++;}public void display(){//打印顺序表System.out.print("["+" ");for (int i = 0; i < size; i++) {//打印有效元素System.out.print(elem[i]+" ");}System.out.print("]");}public int size (){//返回当前顺序表大小return this.size;}public boolean contains(int toFind){for (int i = 0; i < size; i++) {//在这里不可以用elem.length,后面的扩容之后未赋值if(elem[i] == toFind){return true;}}return false;}public int indexOf(int toFind){//返回要找的元素第一个返回的下标for (int i = 0; i < size; i++) {//在这里不可以用elem.length,后面的扩容之后未赋值if(elem[i] == toFind){return i;}}return -1;}public int get(int index){//获取index位置的值checkPos(index);if (isEmpty()){//存在默认容量5,若没有此方法,可能会在未初始化的位置上直接获取元素,获取成功//但是为0,不符合实际throw new EmptyException("array is empty");}return elem[index];}public void set(int index,int val){//把index位置的值改为valcheckPos(index);if (isEmpty()){//存在默认容量5,若没有此方法,可能会在未初始化的位置上直接添加元素,//添加成功,但是不符合实际throw new EmptyException("array is empty");}elem[index] = val;}public void remove(int toRomve){//移除第一次出现的元素if (isEmpty()){throw new EmptyException("array is empty");}int index = indexOf(toRomve);//先找到下标的位置for (int i = index+1; i < size; i++) {elem[i-1] = elem[i];}elem[size-1] = 0;size --;}public void clear(){size = 0;}
}public class EmptyException extends NullPointerException{public EmptyException(String s) {super(s);}
}public class PosException extends ArrayIndexOutOfBoundsException{public PosException(String s) {super(s);}
}

下面通过一些测试用例;来测试:

public class Main {public static void main(String[] args) {MyArrayList list = new MyArrayList();list.add(0);list.add(1);list.add(3);list.add(4);list.add(2,2);list.add(5);list.display();System.out.println(list.size());list.remove(2);list.display();System.out.println(list.size());}
}

3.ArrayList简介

[说明]

1. ArrayList是以泛型的方式实现的,使用时必须先实例化.
2. ArrayList的底层是一段连续的存储空间,并且可以动态扩容,是一个动态类型的顺序表.

4.ArrayList的使用

4.1 ArrayList的构造方法

方法	解释
public ArrayList()	无参构造方法
public ArrayList(int initialCapacity)	指定顺序表初始容量
public ArrayList(Collection<? extends E> c)	利用Collection中的容器来构造

关于第三个构造方法,不太好理解,我们下面来解释一下:ArrayList已经传入了泛型的参数,就是E,这里用来构造ArrayList的Collection类中的元素必须是E的子类.

ArrayList<Integer> list = new ArrayList<>();
ArrayList<Integer> list1 = new ArrayList<>(list);
ArrayList<Number> list2 = new ArrayList<>(list);
ArrayList<Integer> list3 = new ArrayList<>(10);

4.2 ArrayList常见操作

方法	解释
boolean add(E e)	在尾部添加元素
void add(int index,E element)	在指定位置添加元素
boolean addAll(Collection<? extends E> c)	把c中的元素全部添加到顺序表尾部
E remove(int index)	移除指定位置的元素
boolean remove(Object o)	移除遇到的第一个元素o
E get(int index)	获取指定位置的元素
E set(int index,E element)	把指定位置的元素设置为指定的值
void clear()	清空顺序表
boolean contains(Object o)	检测顺序表中是否包含o
int indexOf(Object o)	返回第一个指定元素所在的下标
int lastIndexOf(Object o)	从后向前找,返回第一个元素所在的下标
List subList(int fromIndex,int toIndex)	截取指定范围的字符串,左闭右开

在这里说明一下两个remove方法的区别,避免混淆,第一个remove方法时移除指定位置的元素,传入的元素类型为int类型的数据,而第二个remove方法移除的是第一个遇到的元素,这里传入的参数类型是和顺序表泛型相同的类型,当一个顺序表中存储的是Integer类型的数据的时候,要注意区分下标和元素.
下面对上述方法进行演示:

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);// 获取list中有效元素个数System.out.println(list.size());// 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(list.get(1));// 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(list);// 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(list);// 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(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");}// 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("JavaSE"));System.out.println(list.lastIndexOf("JavaSE"));// 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(ret);list.clear();System.out.println(list.size());
}

4.3 ArrayList的遍历

ArrayList有四种遍历方式,一种是通过sout直接输出,一种是for-i,一种是for-each,一种是使用迭代器.

import java.util.ArrayList;
import java.util.Iterator;
public class TestArrayList {public static void main(String[] args) {ArrayList<Integer> list = new ArrayList<>();list.add(1);list.add(2);list.add(3);list.add(4);list.add(5);//通过sout去遍历ArrayListSystem.out.println(list);//通过fori遍历for (int i = 0; i < list.size(); i++) {System.out.print(list.get(i)+" ");}System.out.println();//通过foreach遍历for (int x:list) {System.out.print(x+" ");}System.out.println();//通过迭代器遍历Iterator<Integer> iterator = list.iterator();while (iterator.hasNext()){System.out.print(iterator.next()+" ");}System.out.println();}
}

4.4 ArrayList扩容机制

ArrayList是动态的顺序表,在顺序表的容量不够的时候会自动扩容,下面是底层代码对ArrayList的扩容机制.

	public boolean add(E e) {modCount++;//底层是C/C++代码add(e, elementData, size);//调用另一个重载的add方法,指定添加容积return true;}private void add(E e, Object[] elementData, int s) {if (s == elementData.length)//容器满的时候需要扩容elementData = grow();//调用grow方法扩容elementData[s] = e;size = s + 1;}private Object[] grow() {return grow(size + 1);//最小容积是size+1,就是指定的添加容积+1}private Object[] grow(int minCapacity) {//传入指定的最小容积int oldCapacity = elementData.length;if (oldCapacity > 0 || elementData != DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {int newCapacity = ArraysSupport.newLength(oldCapacity,//对数组扩容minCapacity - oldCapacity, /* minimum growth */    //计算原容量和最小容积的差值oldCapacity >> 1  //原容量的一半         /* preferred growth */);return elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);//正式扩容} else {return elementData = new Object[Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity)];}}public static int newLength(int oldLength, int minGrowth, int prefGrowth) {// preconditions not checked because of inlining// assert oldLength >= 0// assert minGrowth > 0int prefLength = oldLength + Math.max(minGrowth, prefGrowth); // might overflow//若pre大,1.5被扩容,若是min大,直接加上指定的最小容积if (0 < prefLength && prefLength <= SOFT_MAX_ARRAY_LENGTH) {return prefLength;} else {// put code cold in a separate methodreturn hugeLength(oldLength, minGrowth);}}

[总结]

1. 预估要扩容的大小

• 初步预估按照1.5倍扩容.
• 如果用户所需大小预估超过1.5,则按照用户所需大小扩容.

2. 使用copyOf扩容.