Collection与数据结构 顺序表与ArrayList

news2024/9/20 21:46:22

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。
在这里插入图片描述

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5
        this.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val
        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;
    }
}

```java
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());
    }
}

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3.ArrayList简介

在这里插入图片描述
[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ArrayList
        System.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 > 0
        int 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 method
            return 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.
  1. 使用copyOf扩容.

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