细说 List、顺序表、ArrayList类（附 add 源码解读）—— 数据结构

前言：
本篇文章具体探讨 List、顺序表 和 ArrayList 相关概念及常用常用方法，同时对 ArrayList 中 offer 源码进行解读，理解 ArrayList 中的扩容机制，希望能对各位看官朋友有所裨益，如有问题欢迎批评指正。

重点：

• List 常用方法
• 顺序表的基本概念和模拟实现
• ArrayList add源码及其他常用方法

1 List

讲顺序表之前我们先来看看 List 接口 同其他数据集合的基本关系，以及常用的成员方法

1.1 是什么

• List 是一个 线性表，逻辑上是连续存储的数据集合， 该数据集合中包含了相同类型元素的有限序列，在该数据集合中多执行增删查改的操作
  • 我们后续所分享的 ArrayList 就是一个实现List 接口的规范蓝本
• List 接口 继承自 Collection 接口，Collection 中规范了后续的数据集合的一些常用方法
  • Collection 也继承自迭代器 Iterable
• List 是一个接口，具体使用过程要创建 实现了 List 接口的类实例化对象
  • 在刷题过程中常见于 List 作为返回值类型，一般都是通过 创建 ArrayList 和 LinkedList 对象向上转型 使用 List
    
    

1.2 常用方法

List 有很多方法，但在具体的刷题和实践过程中常用的方法有如下几种：

2 顺序表

在具体面试问题中要区分指的是 顺序表 还是 ArrayList，这两个概念上略有不同

2.1 顺序表 和 线性表

线性表：n个具有相同特性的数据元素的有限序列

线性表仅仅是在逻辑上是线性结构，在物理上可能不是线性结构（链表），常用 数组 和 链式 两种结构进行储存

• 顺序表是线性表的一种表现形式，使用 数组结构 进行储存， 在物理地址上连续的存储单元进行元素存储的线性结构
• 顺序表分为 静态顺序表 和 动态顺序表
  • 静态顺序表 表示定长数组，数组长度固定
  • 动态顺序表 表示动态开辟的数组储存
    
    

2.2 顺序表常用接口的模拟实现

• 成员方法
  • elem useSized intCapacity
  • 都用private修饰， intCapacity使用 privat static final修饰
• 构造方法
  • 构造方法：this.elem[] = new int[intCapacity];

1）add()

pos元素位置增加

• 判满（array.copyOf(this.elem, 2*this.elem.length)）, 判空
• 向后挪动（起始i = usedSized - 1，i>=pos ,i–）,
• 放置元素
  
  
  

2）display()

打印元素

• 遍历数组进行打印

3）search()

元素toFind的下标

• 遍历数组，找不到返回-1

4）getPos()

获取pos位置元素

• 先判空 和 pos位置合法性

5）size()

链表长度

6）toRemove()

删除第一次出现的关键词

• 调用成员方法search
• 向前挪（i = index；i
• arr[usedSize] = null，this.useSized–

7）clear()

链表清除

• 直接this.usedSized = 0;

3 ArrayList 类

3.1 ArrayList的继承关系

ArrayList 是一个集合类, 除了上述提到的继承自 List 以外，还有诸多复杂的继承关系，下面只是简单提及

3.2 成员变量

• int size
  • 数组中包含元素的数量
• Object[] elementData
  • elementData 即是当前数组的引用
• Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {}
  • 用于构造指定容量为 0 的数组
• Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA
  • 用于不带参数的构造方法，构造指定容量为 0 的数组
• int DEFAULT_CAPACITY
  • 默认大小，（用于不带参数的构造）用于第一次 add
    
    

3.3 构造方法

1） 不带参数的构造方法

• 将 DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA 静态成员变量赋值给当前数组的引用
• 默认设置数组大小为 0，当调用 add 方法数组大小变为 10，数组满了以后 1.5倍 增大

2 ) 接收其他集合类

• 将传入的集合类中的元素拷贝到当前数组中，elementData 进行接收

3） 指定容量

• 指定容量 > 0，创建 initialCapacity 大小的数组
• 制定容量 == 0，创建空数组，将 EMPTY_ELEMENTDATA 静态成员变量赋值给当前数组的引用

3.4 成员方法

1）add(E e)

（1）ensureCapacityInternal 尝试进行增容

• 参数：传入 size + 1 表示 minCapacity，因为要判断增加一个元素之后是否超出数组长度
• 内部：只有一个方法 ensureExplicitCapacity
  • ensureExplicitCapacity方法传入参数为 calculateCapacity(elementData, minCapacity)
  • calculateCapacity 中判断是否是通过不带参数的构造方法创建的对象
    • 是，返回 DEFAULT_CAPACITY(10) 和 minCapacity(size + 1) 最大值
    • 否，返回 minCapacity(size + 1)

• ensureExplicitCapacity方法 具体实现
  • 判断 minCapacity 是否大于 数组长度（增加一个元素之后是否超出数组长度）
    • 是，调用 grow(minCapacity) 方法进行增容

• grow(int minCapacity) 方法

数组元素较少(远小于 Interger 最大值 )，进行的是1.5 倍增容

数组元素很多，就要考虑是否溢出的问题

• newCapacity = 1. 5 * elementData.length，
• 数组中元素较少时，进行的是1.5 倍增容
• 数组中元素较多时，判断如果 newCapacity 大于 Interger 最大值，则不进行增容，继续向后判断
• 数组中元素较多时，判断如果 newCapacity 大于 Interger 最大值 - 8, 进行 hugeCapacity(minCapacity)
  • hugeCapacity 方法实际上就是当你 1.5倍增容结果 > Interger 最大值 - 8，即元素可能要溢出时，进行一系列的判断调整，最多再进行一次增容
  • hugeCapacity 中如果原本 size = Interger 最大值，现在size + 1 就会溢出，所以直接抛出异常
  • hugeCapacity 中如果 size + 1 大于 Interger 最大值 - 8，返回 Interger 最大值；否则返回 Interger 最大值 - 8（也就是1.5倍增容成功后才大于 Interger 最大值 - 8）
  • hugeCapacity 这种做法其他数据集合中也有所使用，比如优先级队列中的 offer 成员方法(详解可以查看我上一篇关于 TopK 的内容)

（2）未抛出异常 尝试增容结束

• 直接尾插元素 elementData[size++] = e

（3）总结

• 不带参数的构造方法创建的对象时，数组大小为0，当进行第一次插入元素 数组大小变为 10
• 在插入元素而有必要进行扩容时，先判断 1.5 倍扩容是否合适，
  • 扩容结果可能非常大，对可能会溢出的扩容做出反应（可能会直接抛出异常），进行做出反应后扩容
  • 扩容结果合适( 远小于Interger最大值 )，直接进行1.5倍扩容
    
    

2）其他常用方法

tip: Object[] toArray()

• 以正确的顺序（从第一个到最后一个元素）返回一个包含此列表中所有元素的数组
• 返回值Object[]，不能强转数组类型，用具体类型数组接收
  
  

3.5 打印 ArrayList 对象

1）iterator

前面我们介绍过 ArrayList 继承了 Iterator 所以可以使用迭代器进行打印

• 遍历集合中的元素

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