数据结构之ArrayList
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前言
一、数据结构的前置语法
1. 时空复杂度
2. 包装类
3. 泛型
二、ArrayList 和顺序表
1. 顺序表的模拟实现
2. 源码
3. ArrayList 的优缺点
前言
本文介绍数据结构的前置算法，以及 ArrayList 的模拟实现，部分源码及优缺点概括。
一、数据结构的前置语法
1. 时空复杂度
时间复杂度和空间复杂度：用来衡量算法的效率（时间和空间），通常用大O渐进法进行表示；
常见的时间复杂度：O(1), O(logN), O(N), O(N*logN), O(N^2)；
2. 包装类
解释下面代码的原理：
Integer a = 100;
Integer b = 100;
System.out.println(a == b); // 输出 true
Integer c = 200;
Integer d = 200;
System.out.println(c == d); // 输出 falsevalueOf(): Integer 源码：
public static Integer valueOf(int i) {
if (i >= IntegerCache.low && i <= IntegerCache.high)
return IntegerCache.cache[i + (-IntegerCache.low)];
return new Integer(i);
}Integer.Cache.high = 127, Integer.Cache.low = -128
cache数组中在 [0, 255] 空间中存的是 -128 ~127；
如果数字 i 的值在 [-128， 127] 之间，返回 cache 数组的对应下标 [0, 255] 区间的值，即 -128 ~ 127；否则则会 new 一个新的引用变量；
因此当 i 在 [-128, 127] 之间，返回的都是同一个哈希值，即引用变量相等，否则返回不同的哈希值，即引用变量不相等；
3. 泛型
类名后面写一个 "
"<>" 只能存放包装类型，不能存放基本类型；
编译的时候会把 T 类型都替换成 Object 类型，这称为泛型的擦除机制；
泛型的上界：
泛型类：class 类名
泛型方法 ：
二、ArrayList 和顺序表
顺序表底层是一个数组，是使用数组来完成的一种结构；
实现了 List 接口，通常使用 "List
1. 顺序表的模拟实现
下面模拟实现顺序表，理解顺序表的底层原理：
定义一个数组 elem，用于存放元素，定义一个 usedSize 用于表示存放了几个元素；
定义一个常数 DEFAULT_SIZE，用来表示新建一个顺序表默认开辟空间的大小；
定义一个无参的构造方法，默认开辟的空间大小为 DEFAULT_SIZE；
定义一个有一个参数的构造方法，参数用于指定开辟空间的大小；
public class MyArrayList {
private int[] elem;
private int usedSize;
private static final int DEFAULT_SIZE = 10;
public MyArrayList(){
this.elem = new int[DEFAULT_SIZE];
}
public MyArrayList(int capacity){
this.elem = new int[capacity];
}
// 方法的位置
// ......
}下面实现顺序表的方法（增删改查）：
打印顺序表的所有元素：
// 打印元素
public void display(){
for(int i = 0; i < usedSize; i++){
System.out.print(this.elem[i] + " ");
}
}向顺序表中增加一个元素：
注意：在顺序表中增加元素的时候，需要先判断当前是否已经存满，如果存满了要先进行扩容才可以再往顺序表中添加元素；
isFull(): boolean 判断顺序表是否存满；每次增加元素都需要判断顺序表是否存满；
add(int data): void 向顺序表最后一个位置新增一个元素；
add(int pos, int data): void 向顺序表的 pos 位置新增一个元素；
需要判断 pos 位置是否合法，不合法要抛出异常；
如果合法，就要将 pos 位置以及 pos 后面的元素，往后挪一个位置，考虑到可能覆盖后一个元素的问题，需要从后往前依次向后挪每个元素；
增加元素一定不要忘记 usedSize++;
// 判断是否满
public boolean isFull(){
if(this.usedSize == this.elem.length) {
return true;
}
return false;
}
// 新增元素，默认在数组最后新增
public void add(int data){
if(isFull()){
// 扩容
this.elem = Arrays.copyOf(this.elem, 2 * this.elem.length);
}
this.elem[usedSize] = data;
usedSize++;
}
// 在 pos 位置新增元素
public void add(int pos, int data){
if(pos < 0 || pos > this.usedSize){
throw new PosOutOfBoundsException(pos + "位置不合法");
}
if(isFull()){
// 扩容
this.elem = Arrays.copyOf(this.elem, 2 * this.elem.length);
}
for(int i = usedSize - 1; i >= pos; i--){
this.elem[i + 1] = this.elem[i];
}
this.elem[pos] = data;
this.usedSize++;
}查找元素：
contains(int toFind): boolean 判断元素 toFind 是否在顺表中存在；
indexOf(int toFind): int 找元素 toFind 的下标，找到则返回对应下标，找不到返回 -1；
checkPos(int pos): void 判断下标是否合法，查找某个下标元素需要先判断下标是否合法，不合法直接抛出异常；
get(int pos): int 获取 pos 位置元素的下标；需要先判断给定的 pos 下标是否合法；
// 判断是否包含某个元素
public boolean contains(int toFind){
for(int i = 0; i < this.usedSize; i++){
// 如果是引用类型，可以使用 equals 方法
if(this.elem[i] == toFind){
return true;
}
}
return false;
}
// 查找某个元素对应的位置
public int indexOf(int toFind){
for(int i = 0; i < this.usedSize; i++){
if(this.elem[i] == toFind){
return i;
}
}
return -1;
}
// 判断下标是否合法
private void checkPos(int pos){
if(pos < 0 || pos >= this.usedSize){
throw new PosOutOfBoundsException(pos + "位置不合法");
}
}
// 获取某个位置的元素
public int get(int pos){
checkPos(pos);
return this.elem[pos];
}修改某个位置元素：
set(int pos, int value): void 修改 pos 位置的元素为 value，修改前同样需要判断 pos 位置是否合法；
// 给 pos 位置的元素设为 value
public void set(int pos, int value){
checkPos(pos);
this.elem[pos] = value;
}删除某个元素：
remove(int toRemove): void 删除元素 toRemove；
先查找该元素的下标；
如果元素不存在直接返回；
如果元素存在则删除该元素，并将该元素后面的元素都往前移一个位置；如果是引用类型的数据，一定记得把最后一个引用置 null；
删除元素一定不能忘记 usedSize--；
// 删除第一次出现的关键字 key
public void remove(int toRemove){
int index = indexOf(toRemove);
if(index == -1){
return;
}
for(int i = index; i < this.usedSize - 1; i++){
this.elem[i] = this.elem[i + 1];
}
// 如果是引用类型，最后一个位置就要置 null
// this.elem[this.usedSize - 1] = null
this.usedSize--;
}求顺序表长度：
size(): int 求顺序表长度，直接返回 usedSize 即可；
// 获取顺序表长度
public int size(){
return this.usedSize;
}清空顺序表：
clear(): void 清空顺序表；
如果是基本类型，直接将 usedSize 置 0 即可；
如果是引用类型，需要遍历一遍顺序表，将每个引用都置 null；
// 清空顺序表
public void clear(){
// 如果是引用类型，就要遍历置为 null
// for(int i = 0; i < this.usedSize; i++){
// this.elem[i] = null;
// }
this.usedSize = 0;
}2. 源码
构造方法：
ArrayList(int initialCapacity)：一个参数的构造方法，initialCapacity 用于指定顺序表的空间；
ArrayList()：无参的构造方法，并没有分配内存，第一次增加元素的时候才会扩容；
ArrayList(Collection c)：可以传 E 类型的子类或者 E 类型本身的 实现了Collection 接口的数据结构；除了 Map 没实现， Collection，List，Queue，Set 都实现了；
public ArrayList(int initialCapacity) {
if (initialCapacity > 0) {
this.elementData = new Object[initialCapacity];
} else if (initialCapacity == 0) {
this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
} else {
throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+
initialCapacity);
}
}
/**
* Constructs an empty list with an initial capacity of ten.
*/
public ArrayList() {
this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
}
/**
* Constructs a list containing the elements of the specified
* collection, in the order they are returned by the collection's
* iterator.
*
* @param c the collection whose elements are to be placed into this list
* @throws NullPointerException if the specified collection is null
*/
public ArrayList(Collection c) {
elementData = c.toArray();
if ((size = elementData.length) != 0) {
// c.toArray might (incorrectly) not return Object[] (see 6260652)
if (elementData.getClass() != Object[].class)
elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class);
} else {
// replace with empty array.
this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
}
}ArrayList 扩容机制：
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;
}3. ArrayList 的优缺点
优点：可以通过下标进行随机访问，时间复杂度 O(1)；
缺点：
往某个位置添加元素，需要往后移动后面的元素；
删除某个元素，需要移动把后面的元素往前移动；
扩容的时候，每次都需要拷贝所有元素；扩容之后可能会浪费空间；
总结：适合静态的数据查找和更新，不适合插入和删除数据。