JavaSE---ArrayList与顺序表-EW帮帮网

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。

2.1 接口的实现

public class SeqList 
{ 
    //打印顺序表
    public void display() 
    { 

    }

    //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) 
    { 
        return true; 
    } 

    // 查找某个元素对应的位置
    public int indexOf(int toFind) 
    { 
        return -1; 
    } 
    
    //获取 pos 位置的元素
    public int get(int pos) 
    { 
        return -1; 
    } 
    
    //给 pos 位置的元素设为 value
    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() 
    { 
        return 0; 
    } 
    
    //清空顺序表
    public void clear()
    { 
    
    } 
}

3、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实现了 RandomAccess 接口，表明 ArrayList 支持随机访问

2. ArrayList实现了 Cloneable 接口，表明 ArrayList 是可以 clone 的

3. ArrayList实现了 Serializable 接口，表明 ArrayList 是支持序列化的

4. 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

5. 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。

4、ArrayList使用

4.1 ArrayList的构造

ArrayList （Java Platform SE 8 ） (oracle.com)https://docs.oracle.com/javase/8/docs/api/java/util/ArrayList.html#ArrayList--

public static void main(String[] args) 
{ 
    // ArrayList创建，推荐写法 
    // 构造一个空的列表 
    List<Integer> list1 = new ArrayList<>(); 

    // 构造一个具有10个容量的列表 
    List<Integer> list2 = new ArrayList<>(10); 
    list2.add(1); 
    list2.add(2); 
    list2.add(3); 
    //list2.add("hello"); //编译失败，List<Integer>已经限定了，list2中只能存储整形元素 

    //list3构造好之后，与list中的元素一致 
    ArrayList<Integer> list3 = new ArrayList<>(list2);
                     
    //避免省略类型，否则：任意类型的元素都可以存放，使用时将是一场灾难 
    List list4 = new ArrayList(); 
    list4.add("111"); 
    list4.add(100); 
}

4.2 ArrayList常见操作

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false 
    if(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ArrayList返回 
    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 可以使用三方方式遍历： for 循环 + 下标、 foreach 、使用迭代器

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 
    for (int i = 0; i < list.size(); i++) 
    { 
        System.out.print(list.get(i) + " "); 
    }
    System.out.println(); 
    // 借助foreach遍历 
    for (Integer integer : list) 
    { 
        System.out.print(integer + " "); 
    }
    System.out.println(); 
    Iterator<Integer> it = list.listIterator(); 
    while(it.hasNext())
    { 
        System.out.print(it.next() + " "); 
    }
    System.out.println(); 
}

4.4 ArrayList的扩容机制

public static void main(String[] args) 
{ 
    List<Integer> list = new ArrayList<>(); 
    for (int i = 0; i < 100; i++) 
    { 
        list.add(i); 
    } 
}

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

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

5、使用示例

5.1 扑克牌

public class Card 
{
    public int rank; // 牌面值
    public String suit; // 花色
    @Override
    public String toString() 
    { 
        return String.format("[%s %d]", suit, rank); 
    } 
}

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

public class CardDemo 
{
    public static final String[] SUITS = {"♠", "♥", "♣", "♦"}; // 买一副牌
    private static List<Card> buyDeck() 
    { 
        List<Card> deck = new ArrayList<>(52); 
        for (int i = 0; i < 4; i++) 
        { 
            for (int j = 1; j <= 13; j++) 
            { 
                String suit = SUITS[i]; 
                int rank = j;
                Card card = new Card();
                card.rank = rank;
                card.suit = suit;
                deck.add(card); 
            } 
        }
    return deck; 
}

private static void swap(List<Card> deck, int i, int j) 
{ 
    Card t = deck.get(i);
    deck.set(i, deck.get(j));
    deck.set(j, t); 
}

private static void shuffle(List<Card> deck) 
{ 
    Random random = new Random(20190905); 
    for (int i = deck.size() - 1; i > 0; i--) 
    { 
        int r = random.nextInt(i); swap(deck, i, r); 
    } 
}

public static void main(String[] args) 
{
    List<Card> deck = buyDeck(); 
    System.out.println("刚买回来的牌:"); 
    System.out.println(deck); shuffle(deck); 
    System.out.println("洗过的牌:"); 
    System.out.println(deck); 
    // 三个人，每个人轮流抓 5 张牌 
    List<List<Card>> hands = new ArrayList<>(); 
    hands.add(new ArrayList<>()); 
    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(deck.remove(0)); 
    } 
}

    System.out.println("剩余的牌:"); 
    System.out.println(deck); 
    System.out.println("A 手中的牌:"); 
    System.out.println(hands.get(0)); 
    System.out.println("B 手中的牌:"); 
    System.out.println(hands.get(1)); 
    System.out.println("C 手中的牌:"); 
    System.out.println(hands.get(2)); 
}
}

运行结果

5.2 杨辉三角

给定一个非负整数 numRows，生成「杨辉三角」的前 numRows 行。

class Solution 
{
    // 杨辉三角
    public List<List<Integer>> generate(int numRows) 
    {
        List<List<Integer>> out = new ArrayList<List<Integer>>();
        for (int i = 0; i < numRows; i++) 
        {
            List<Integer> arr = new ArrayList<Integer>();
            for (int j = 0; j < i + 1; j++) 
            {
                if (i == 0) 
                { // 第一层
                    arr.add(1);
                } 
                else if (j == 0 || j == i)
                { // 第二层 + 下面层的最外面的两个数字
                    arr.add(1);
                } 
                else 
                {
                    List<Integer> tmp = out.get(i - 1);
                    arr.add(tmp.get(j - 1) + tmp.get(j)); // 计算
                }
            }
            out.add(arr);
        }
        return out;
    }
}

6、顺序表的问题及思考

1. 顺序表中间 / 头部的插入删除，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。会有不小的消耗。

3. 增容一般是呈 2 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 200 ，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 95 个数据空间。

思考：如何解决以上问题呢

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