【Java数据结构 -- 顺序表】

List和ArrayList与顺序表

一. List
- 1.1 List介绍
- 2.1 常见接口介绍
- 3.1 List的使用
二. ArrayList与顺序表
- 1.线性表
- 2.顺序表
- - 2.1 接口的实现
  - 2.2 顺序表的创建
  - 2.3 顺序表的打印
  - 2.4 顺序表的插入
  - 2.5 顺序表的按索引位置插入数据
  - 2.6 判断顺序表是否包含某个数
  - 2.7 返回顺序表某个数的索引
  - 2.8 获取顺序表pos位置的值
  - 2.9 更新顺序表pos位置的值
  - 2.10 顺序表删除元素
  - 2.11 顺序表的大小
  - 2.12 清空顺序表
- 3.ArrayList简介
- 4. ArrayList使用
- - 4.1 ArrayList的构造
- 4.2 ArrayList常见操作
- 4.3 ArrayList的遍历
- 4.4 ArrayList的扩容机制
- 5. ArrayList的具体使用
- - 5.1 简单的洗牌算法
  - 5.2 杨辉三角的实现
- 6 面试题

一. List

1.1 List介绍

在集合框架中，List是一个接口，继承Collection。
Iterable <-- Collection <-- List。

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，

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，

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。

2.1 常见接口介绍

List中提供了很多方法，具体的常用方法如下：
方法 ---- 解释
boolean add(E e) ---- 尾插 e
void add(int index, E element) ---- 将 e 插入到 index 位置
boolean addAll(Collection<? extends E> c) ---- 尾插 c 中的元素
E remove(int index) ---- 删除 index 位置元素
boolean remove(Object o) ---- 删除遇到的第一个 o
E get(int index) ---- 获取下标 index 位置元素
E set(int index, E element) ---- 将下标 index 位置元素设置为 element
void clear() ---- 清空
boolean contains(Object o) ---- 判断 o 是否在线性表中
int indexOf(Object o) ---- 返回第一个 o 所在下标
int lastIndexOf(Object o) ---- 返回最后一个 o 的下标
List subList(int fromIndex, int toIndex) ---- 截取部分 list

3.1 List的使用

List是一个接口，并不是直接用来实例化。
如果要使用的话必须先去实例化List的实现类，ArrayLsit和LinkedList都实现了List接口。

二. ArrayList与顺序表

1.线性表

线性表是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、队列等等。

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

IList接口：

public interface IList {
    // 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);
    // 查找某个元素对应的位置
    public int indexOf(int toFind);
    // 获取 pos 位置的元素
    public int get(int pos);
    // 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();
    // 清空顺序表
    public void clear();
    // 打印顺序表，注意：该方法并不是顺序表中的方法，为了方便看测试结果给出的
    public void display();

    Boolean isFull();
    Boolean isEmpty();
}

2.2 顺序表的创建

把顺序表封装成一个类，定义数组 elem，大小 usedSize、默认容量和顺序表MyArrayList。

public class MyArrayList implements IList{
    public int[] elem;
    public int usedSize;
    public static final int DEFAULT_CAPACITY = 5;

    public MyArrayList() {
        elem = new int[DEFAULT_CAPACITY];
    }
}

2.3 顺序表的打印

    @Override
    public void display() {
        for (int i = 0; i < this.usedSize; i++) {
            System.out.println(elem[i]+" ");
        }
        System.out.println();
    }

2.4 顺序表的插入

写一个判断是否满了的方法，先要判断是否满了，满了就要扩容，扩容是使用Arrays.copyOf方法来进行扩容，

    @Override
    public void add(int data) {
        // 判断是否满了 满了就要扩容
        if (isFull()) {
            elem = Arrays.copyOf(elem,elem.length*2);
        }
        this.elem[usedSize] = data;
        this.usedSize++;
    }

    @Override
    public Boolean isFull() {
        return this.usedSize == DEFAULT_CAPACITY;
    }

2.5 顺序表的按索引位置插入数据

在插入数据之前，我们需要检查插入的位置是否合法，如果小于0或者大于usedSize就抛出位置不合法的异常，如果位置合法，还需要判断顺序表是否满了，满了就需要扩容；在pos位置插入data时，从this.usedSize-1开始遍历到pos位置，也就是大于等于pos，把元素一个一个往后挪，即：elem[i+1] = elem[i];，然后插入数据，usedSize++。

    @Override
    public void add(int pos, int data) {
        // pos位置的判断
        checkPosOfAdd(pos);
        if (isFull()) {
            elem = Arrays.copyOf(elem,elem.length*2);
        }
        for (int i = this.usedSize-1; i >= pos; i--) {
            this.elem[i+1] = elem[i];
        }
        this.elem[pos] = data;
        this.usedSize++;

        System.out.println();
    }
    
    private void checkPosOfAdd(int pos) {
        if (pos<0 || pos >this.usedSize) {
            throw new PosException("Pos位置为："+ pos);
        }
    }

2.6 判断顺序表是否包含某个数

    @Override
    public boolean contains(int toFind) {
        for (int i = 0; i < this.usedSize; i++) {
            if (elem[i] == toFind){
                return true;
            }
        }
        return false;
    }

2.7 返回顺序表某个数的索引

    @Override
    public int indexOf(int toFind) {
        for (int i = 0; i < this.usedSize; i++) {
            if (elem[i] == toFind) {
                return i;
            }
        }
        return -1;
    }

2.8 获取顺序表pos位置的值

在这里也需要写一个**checkPosOfGet(pos)方法来判断位置是否合法，注意还要检查顺序表是否为空，写一个判断是否为空的isEmpty()**方法，

    public int get(int pos) {
        // 判断pos位置
        checkPosOfGet(pos);

        // 为空
        if (isEmpty()) {
            throw new EmptyException("顺序表为空");
            //return -1;
        }
        return this.elem[pos];
    }
    public Boolean isEmpty() {
        return usedSize ==0;
    }
    private void checkPosOfGet(int pos){
        if (pos < 0 || pos >= this.usedSize) {
            throw new PosException("Pos位置不合法："+pos);
        }
    }

2.9 更新顺序表pos位置的值

同样也需要获取到pos的位置并检查是否合法，判断顺序表是否为空，不为空直接修改

    @Override
    public void set(int pos, int value) {
        checkPosOfGet(pos);
        if (isEmpty()) {
            System.out.println("顺序表为空");
        }
        this.elem[pos] = value;
    }

2.10 顺序表删除元素

判断顺序表是否为空，获取到要删除的元素索引位置，然后从该位置index开始遍历，把该删除的后一个元素往前覆盖，然后usedSize–。

    @Override
    public void remove(int toRemove) {
        if (isEmpty()) {
            throw new EmptyException("顺序表为空");
        }
        int index=indexOf(toRemove);
        for (int i = index; i < this.usedSize-1; i++) {
            this.elem[i] = this.elem[i+1];
        }
        this.usedSize--;
    }

2.11 顺序表的大小

    @Override
    public int size() {
        return this.usedSize;
    }

2.12 清空顺序表

为了防止数据泄露，需要情况顺序表。

    @Override
    public void clear() {
        this.usedSize = 0;
    }

注意：

在定义了一个空顺序表的时候第一次add分配了默认的内存大小
在扩容的时候是以1.5倍扩容

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：
在这里插入图片描述注意：

ArrayList是以泛型方式实现的，使用时必须要先实例化
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
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
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

在这里插入图片描述
注意：在这里的extends E 传入的是E类型或者是E的子类型

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

方法 ------ 解释
boolean add(E e) ------ 尾插 e
void add(int index, E element) ------ 将 e 插入到 index 位置
boolean addAll(Collection<? extends E> c) ------ 尾插 c 中的元素
E remove(int index) ------ 删除 index 位置元素
boolean remove(Object o) ------ 删除遇到的第一个 o
E get(int index) ------ 获取下标 index 位置元素
E set(int index, E element) ------ 将下标 index 位置元素设置为 element
void clear() ------ 清空
boolean contains(Object o) ------ 判断 o 是否在线性表中
int indexOf(Object o) ------ 返回第一个 o 所在下标
int lastIndexOf(Object o) ------ 返回最后一个 o 的下标
List subList(int fromIndex, int toIndex) ------ 截取部分 list

    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 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) {
        ArrayList<Integer> arrayList = new ArrayList<>();
        arrayList.add(10);
        arrayList.add(20);
        arrayList.add(30);

        //ArrayList的遍历
        //第一种遍历方式   重写了toString方法
        System.out.println(arrayList);

        //第二种遍历方式
        for (int i = 0; i < arrayList.size(); i++) {
            System.out.print(arrayList.get(i)+" ");
        }

        System.out.println();

        //3.for-each
        for (int x:arrayList) {
            System.out.print(x+" ");
        }
        System.out.println();

        // 4. 迭代器
        Iterator<Integer> it = arrayList.iterator();
        while (it.hasNext()) {
            System.out.print(it.next()+" ");
        }
        System.out.println();

        //5. ListIterator  是 Iterator的子类
        ListIterator<Integer> it2 = arrayList.listIterator();
        while (it2.hasNext()) {
            System.out.print(it2.next()+" ");
        }
        System.out.println();

        //6. 从后往前打印
        ListIterator<Integer> it3 = arrayList.listIterator();
        while (it2.hasPrevious()) {
            System.out.print(it2.previous()+" ");
        }
        System.out.println();
    }

4.4 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。
ArrayList源码：

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：

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

5. ArrayList的具体使用

5.1 简单的洗牌算法

Card：

public class Card {
    public String suit;
    public int num;

    public Card(String suit, int num) {
        this.suit = suit;
        this.num = num;
    }

    @Override
    public String toString() {
        /*return "Card{" +
                "suit='" + suit + '\'' +
                ", num=" + num +
                '}';*/
        return suit +""+num;
    }
}

Cardgame:

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

public class Cardgame {
    public static final String[] suits = {"♥","♣","♦","♠"};

    // 买牌 （创建牌）
    public List<Card> buyCard() {
        List<Card> cardList = new ArrayList<>();
        for (int i = 0; i < 4; i++) {
            for (int j = 0; j < 13; j++) {
                cardList.add(new Card(suits[i],j));//相当于下面代码
                /*String suit = suits[i];
                Card card = new Card(suit,j)
                cardList.add(card);*/
            }
        }
        return cardList;
    }

    // 洗牌
    public void shuffle(List<Card> cardList) {
        Random random = new Random();
        for (int i = cardList.size()-1; i > 0; i--) {
            int index = random.nextInt(i);

            swap(cardList,i,index);
        }
    }

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

    // 发牌 3个人每个人轮流抓5张牌
    // 思路：1.每个人拿到牌 放到哪
    //      2. l轮流怎么抓5张牌

    public List<List<Card>> getCard(List<Card> cardList) {
        List<Card> hand1 = new ArrayList<>();
        List<Card> hand2 = new ArrayList<>();
        List<Card> hand3 = new ArrayList<>();

        List<List<Card>> hand = new ArrayList<>();
        hand.add(hand1);
        hand.add(hand2);
        hand.add(hand3);

        for (int i = 0; i < 5; i++) {  // 拿五次牌
            for (int j = 0; j < 3; j++) {  // 3个人
                //怎么揭牌?  每次相当于 删除下0标这个牌
                Card card = cardList.remove(0);
                // 怎么放到对应人的手里面?
                hand.get(j).add(card);
            }
        }
        return hand;
    }
}

Main测试：

import java.util.List;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Cardgame cardgame = new Cardgame();
        List<Card> ret = cardgame.buyCard();
        System.out.println("买牌：");
        System.out.println(ret);

        cardgame.shuffle(ret);
        System.out.println("洗牌:");
        System.out.println(ret);

        System.out.println("揭牌：");
        List<List<Card>> hand = cardgame.getCard(ret);
        for (int i = 0; i < hand.size(); i++) {
            System.out.println("第"+(i+1)+"个人的牌"+hand.get(i));
        }
        System.out.println("剩下的牌");
        System.out.println(ret);
    }

}

在这里插入图片描述

5.2 杨辉三角的实现

具体要求：
在这里插入图片描述
** 实现这个杨辉三角得需要定义一个二维数组，每个一维数组的第一个和最后一个都为1，中间的数字就是上一行的j位置的元素＋（j-1）也就是前一个元素，所以需要定义一个preRow来获取上一行的数据，即preRow = ret.get(i-1)，然后再用preRow去调用get方法得到该位置的上面需要相加的两个元素，即：preRow.get(j)+preRow.get(j-1)，然后再用add插入数据**。

    public List<List<Integer>> generate(int numRows) {
        // 定义一个二维数组
        List<List<Integer>> ret = new ArrayList<>();

        List<Integer> list = new ArrayList<>();
        list.add(1);

        ret.add(list);

        for (int i = 1; i < numRows; i++) {
            //每循环一次  就是一行
            List<Integer> curRow = new ArrayList<>();
            curRow.add(1);  //每行的第一个元素

            //处理中间的数字
            List<Integer> preRow = ret.get(i-1);
            for (int j = 1; j < i; j++) {
                int x = preRow.get(j)+preRow.get(j-1);
                curRow.add(x);
            }

            //处理最后一个数字
            curRow.add(1);

            ret.add(curRow);
        }
        return ret;
    }

6 面试题

CVTE面试题：
str1：“welcome to cvte”
str2: “come”
删除字符串1当中，出现的所有字符串2当中的字符，即结果为 “wl t vt”

public class Test {
    public static List<Character> func(String str1,String str2) {
        List<Character> list = new ArrayList<>();
        for (int i = 0; i < str1.length(); i++) {
            char ch = str1.charAt(i);
            if(!str2.contains(ch+"")) { //contains接收的是字符串  所以字符ch +""
                list.add(ch);
            }
        }
        return list;
    }
    public static void main(String[] args) {
        List<Character> ret = func("welcome to cvte","come");
        for (Character ch:ret) {
            System.out.print(ch);
        }
    }
}