一 、顺序表和链表

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。

1. 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。

// 顺序表的实现：
 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() {    }
 }

2. 链表

链表是一种物理存储结构上非连续存储结构，
数据元素的逻辑顺序是通过链表中的引用链接次序实现的 。

实际中链表的结构非常多样，
以下情况组合起来就有8种链表结构：

• 单向或者双向:

• 带头或者不带头:
  
• 循环或者非循环:
  
• 无头单向非循环链表：
  结构简单，一般不会单独用来存数据。
  实际中更多是作为其他数据结构的子结构，
  如哈希桶、图的邻接表等等。
  
• 无头双向链表:
  在Java的集合框架库中LinkedList底层实现就是无头双向循环链表。

// 无头单向非循环链表实现:
public class SingleLinkedList { 
     //头插法
     public void addFirst(int data);
     //尾插法
     public void addLast(int data); 
     //任意位置插入,第一个数据节点为0号下标 
     public boolean addIndex(int index,int data); 
     //查找是否包含关键字key是否在单链表当中 
     public boolean contains(int key); 
     //删除第一次出现关键字为key的节点 
     public void remove(int key); 
     //删除所有值为key的节点
     public void removeAllKey(int key); 
     //得到单链表的长度
     public int size();
     public void display();
     public void clear();
 }

一 、List

1. 什么是List

在集合框架中，List是一个接口，继承自Collection，并不能直接用来实例化。

站在数据结构的角度来看，List就是一个线性表，
即n个具有相同类型元素的有限序列，
在该序列上可以执行增删改查以及变量等操作。

List是个接口，并不能直接用来实例化。
如果要使用，必须去实例化List的实现类。
在集合框架中，ArrayList和LinkedList都实现了List接口。

Collection也是一个接口，
该接口中规范了后序容器中常用的一些方法，
具体如下所示：

Iterable也是一个接口，
表示实现该接口的类是可以逐个元素进行遍历的，
具体如下：

2. List提供的方法

常用方法：

三 、ArrayList

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：

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

ArrayList实现了Cloneable接口，
表明ArrayList是可以clone的。

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

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线程安全的Vector或者CopyOnWriteArrayList 。

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。

ArrayList底层使用数组来存储元素：

 public class ArrayList<E> extends AbstractList<E>
        implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable

{

   // ...
   
   //  默认容量是10
    private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;

    //...
    
    // 数组：用来存储元素
    transient Object[] elementData; // non-private to simplify nested class access
    
    // 有效元素个数
    private int size;

 
    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);
        }
    }
    
    // ...
    }

1. ArrayList的构造

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);

}

2. ArrayList常见操作

ArrayList虽然提供的方法比较多，常用方法如下所示:

 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);
    
    // 清空
    list.clear();
    System.out.println(list.size());

}

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();

    // 使用迭代器
    Iterator<Integer> it = list.listIterator();
    while(it.hasNext()){
        System.out.print(it.next() + " ");
    }
    System.out.println();
}

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：
检测是否真正需要扩容，如果是调用grow准备扩容。
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。
使用copyOf进行扩容。

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;

}

5. ArrayList的缺陷

通过源码知道，ArrayList底层使用数组来存储元素。

由于其底层是一段连续空间，
当在ArrayList任意位置插入或者删除元素时，
就需要将后序元素整体往前或者往后搬移，
时间复杂度为O(n)，效率比较低。

因此ArrayList不适合做任意位置插入和删除比较多的场景。

四 、LinkedList

在集合框架中，LinkedList实现了List接口，具体如下：

LinkedList的底层使用了双向链表。

LinkedList没有实现RandomAccess接口，
因此LinkedList不支持随机访问。

LinkedList的任意位置插入和删除元素时效率比较高，
时间复杂度为O(1)。

LinkedList的底层是双向链表结构，
由于链表没有将元素存储在连续的空间中，
元素存储在单独的节点中，然后通过引用将节点连接起来了，
因此在在任意位置插入或者删除元素时，不需要搬移元素，
效率比较高。

1. LinkedList的构造

 public static void main(String[] args) {
    // 构造一个空的LinkedList
    List<Integer> list1 = new LinkedList<>();
    
    List<String> list2 = new java.util.ArrayList<>();
    list2.add("JavaSE");
    list2.add("JavaWeb");
    list2.add("JavaEE");
    
    // 使用ArrayList构造LinkedList
    List<String> list3 = new LinkedList<>(list2);

}

2. LinkedList常用方法

 public static void main(String[] args) {
    LinkedList<Integer> list = new LinkedList<>();
    list.add(1);   // add(elem): 表示尾插
    list.add(2);
    list.add(3);
    list.add(4);
    list.add(5);
    list.add(6);
    list.add(7);
    System.out.println(list.size());
    System.out.println(list);
    
    // 在起始位置插入0
    list.add(0, 0);  // add(index, elem): 在index位置插入元素elem
    System.out.println(list);
    
    list.remove();         // remove(): 删除第一个元素，内部调用的是removeFirst()
    list.removeFirst();    // removeFirst(): 删除第一个元素
    list.removeLast();    // removeLast():  删除最后元素
    list.remove(1);  // remove(index): 删除index位置的元素
    System.out.println(list);
    
    // contains(elem): 检测elem元素是否存在，如果存在返回true，否则返回false
    if(!list.contains(1)){
        list.add(0, 1);
           }
    list.add(1);
    System.out.println(list);
    System.out.println(list.indexOf(1));   // indexOf(elem): 从前往后找到第一个elem的位置
    System.out.println(list.lastIndexOf(1));  // lastIndexOf(elem): 从后往前找第一个1的位置
    int elem = list.get(0);    // get(index): 获取指定位置元素
    list.set(0, 100);          // set(index, elem): 将index位置的元素设置为elem
    System.out.println(list);
    
    // subList(from, to): 用list中[from, to)之间的元素构造一个新的LinkedList返回
    List<Integer> copy = list.subList(0, 3);   
    System.out.println(list);
    System.out.println(copy);
    list.clear();              // 将list中元素清空
    System.out.println(list.size());

}

3. LinkedList的遍历

public static void main(String[] args) {
    LinkedList<Integer> list = new LinkedList<>();
    list.add(1);   // add(elem): 表示尾插
    list.add(2);
    list.add(3);
    list.add(4);
    list.add(5);
    list.add(6);
    list.add(7);
    System.out.println(list.size());


    // foreach遍历
    for (int e:list) {
        System.out.print(e + " ");
    }
    System.out.println();


    // 使用迭代器遍历---正向遍历
    ListIterator<Integer> it = list.listIterator();
    while(it.hasNext()){
        System.out.print(it.next()+ " ");
    }
    System.out.println();


    // 使用反向迭代器---反向遍历
    ListIterator<Integer> rit = list.listIterator(list.size());
    while (rit.hasPrevious()){
        System.out.print(rit.previous() +" ");
    }
    System.out.println();

}

五 、ArrayList和LinkedList的区别