Java学习笔记——浅谈数据结构与Java集合框架（第一篇、List）

横看成岭侧成峰，远近高低各不同。
不识庐山真面目，只缘身在此山中。

　　　　　　　　　　　　　　——苏轼

这一块儿学的是云里雾里，咱们先从简单的入手。逐渐的拨开迷雾见太阳。本次先做List集合的三个实现类的学习笔记

List特点：有序，元素可重复。其实它的本质就是一个线性表（下面会说到）

先上图，Java集合有Collection体系和Map体系：

然后简单介绍一下数据结构和算法：

数据结构就是数据和数据之间的关系，好比分子结构，晶体结构。碳原子按照一定的方式组合在一起形成碳分子，碳分子再按照一定方式形成晶体。

算法是对解题步骤的描述，体现在计算机上就是指令的有限序列

数据结构分为逻辑结构和物理结构。

逻辑结构：

物理结构：

顺序存储结构和链式存储结构。

顺序存储结构：在内存中开辟若干的连续空间，将每个空间存入数据，数据关联与其地址一致。比如数组。

上代码：

public class Test01 {

    public static void main(String[] args) {
        Integer[] arr = new Integer[10];
        //向数组中插入元素
        for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
            arr[i] = i;
        }
        //将其中一个元素变为null;
        arr[3] = null;
        //出现碎片
        for (Integer item : arr) {
            System.out.println(item);
        }
        System.out.println("===========");
        arr[3] = 12;//存取方便，可直接赋值或取值
        //删除第X个元素，但要避免碎片产生:
        int x = 2;
        arr[x-1]=null;//第二个元素引用变为null，该步骤可以省略，因为下面又更改了arr[x-1]的引用。写上仅为便于理解
        //第X个元素之后的元素前移，代码表现为把后面的值依次赋给前面，从第X个开始
        for (int i = x-1; i < arr.length-1; i++) {
            arr[i] = arr[i+1];
        }
        //length-1，需要新建数组来保存原数组
        Integer[] newArr = new Integer[arr.length-1];
        for (int i = 0; i < newArr.length; i++) {
            newArr[i]=arr[i];
            System.out.println(newArr[i]);
        }
        System.out.println("============");
        //第Y个位置插入一个元素
        int y = 5;
        //需要后移，所以先创建数组length+1
        Integer [] newArr2 = new Integer[newArr.length+1];
        for (int i = 0; i < newArr.length; i++) {
            newArr2[i] = newArr[i];
        }
        //后移
        for (int i = newArr2.length-1; i > y-1 ; i--) {
            newArr2[i]=newArr2[i-1];
        }
        //插入
        newArr2[y-1] = 22;
        //遍历输出
        for (int i = 0; i < newArr2.length; i++) {
            System.out.println(newArr2[i]);
        }
    }
    
}

出结论：

顺序存储结构：

优点：1无需为表示表中元素之间的逻辑关系而添加空间

　　　2可以快速地存取表中任意位置的元素

缺点：1插入和删除操作需要移动大量元素

　　   2需要考虑索引越界为题

　　   3扩容空间可能会造成空间浪费，缩小空间又可能会索引越界

　　   4null值会造成空间“碎片”

链式存储结构：每个元素只记住它下一个元素是谁（地址）。

链式存储结构有多种，这里只介绍Java的链式存储结构：双向链表

上代码：

public class MyLinkedListDemo {

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        MyLinkList<String> list = new MyLinkList<>();
        list.addFist("张三");
        list.addFist("李四");
        list.addLast("张三");
        list.addLast("李四");
        list.print();
        System.out.println("===========");
        list.add(2,"王五");
        list.print();
        System.out.println("===========");
        list.add(5,"王五");
        System.out.println(list.getSize());
        list.add(7,"王五");//这里会抛出空指针异常
    }
}

public class MyLinkList<E> {

    Node<E> first;
    Node<E> last;
    
    public void addFist(E e){
        if (first == null) {
            final Node<E> newNode = new Node<E>(null, e, null);//第一次加入数据，为first,last赋初值
            first = newNode;
            last = newNode;
        }else{//否则把first的prev指向newNode，把newNode的next指向first，最后把newNode变为first
            final Node<E> newNode = new Node<E>(null, e, first);
            first.prev = newNode;
            first = newNode;
        }
    }
    public void addLast(E e){
        if (last == null) {
            final Node<E> newNode = new Node<E>(null, e, null);//第一次加入数据，为first,last赋初值
            first = newNode;
            last = newNode;
        }else{//否则把last的next指向newNode，把newNode的prev指向last，最后把newNode变为last
            final Node<E> newNode = new Node<E>(last, e, null);
            last.next = newNode;
            last = newNode;
        }
    }
    public void add (int index,E e) throws Exception{//下标超出链表长度会空指针，因为超出长度的部分prev和next都是null
        if(index == 0){
            addFist(e);
        }else if (index == getSize()) {
            addLast(e);
        }else {
            //这里画张图想一下，我要在1处插入x，就要把x的prev指向0，next指向1，把0的next指向x，把1的prev指向x
            //这里的1和0就是index和index-1，通过循环Node.next获取index对应的Node
            //先拿到0和1
            Node<E> tempNodeNext = first;
            for (int i = 0; i < index; i++) {
                tempNodeNext = tempNodeNext.next;
            }
            Node<E> tempNodePrev = tempNodeNext.prev;
            //这里改指向
            final Node<E> newNode = new Node<E>(tempNodePrev, e, tempNodeNext);
            tempNodeNext.prev = newNode;
            tempNodePrev.next = newNode;
        }
    }
    public int getSize (){
        Node<E> temp = first;
        int i = 0;
        while(temp != null){
            temp = temp.next;
            i++;
        }
        return i;
    }
    //由于不实现Iterable，只能提供打印方法
    public void print() {
        Node<E> temp = first;
        while(temp != null){
            System.out.println(temp.item);
            temp = temp.next;
        }
    }
    private static class Node<E>{
        Node<E> prev;
        E item;
        Node<E> next;
        Node(Node<E> prev, E item, Node<E> next) {
            super();
            this.prev = prev;
            this.item = item;
            this.next = next;
        }
    }
}

出结论：

链式存储结构：

优点：插入和删除操作只需改变节点next和prev成员的指向即可，无需移位，无需扩容

缺点：失去了直接存取表中任意位置元素的能力

顺序存储结构和链式存储结构的对比：

1、存储分配方式：

顺序存储结构使用一段连续的存储单元依次存储线性表元素

链式存储结构使用任意存储单元存放线性表的元素

2、时间性能：

查找：

顺序存储结构O(1)

链式存储结构O(n)

插入和删除：

顺序存储结构O(n)

链式存储结构O(1)

3、空间性能：

顺序存储结构：空间分大了浪费，分小了上溢，还得扩容

链式存储结构：有空间就能分配，元素个数不受限制

言归正传。

ArrayList是顺序存储的线性表，LinkedList是链式存储的线性表

它们的特点都是有序，元素值可以重复。区别是底层算法不同。

Vector,这里我简单浏览了一下源代码，Vector底层算法和ArrayList是一样的

这里就不赘述了，直接说区别：

1、Vector的方法都是同步的(Synchronized),是线程安全的(thread-safe)，而ArrayList的方法线程不安全，由于线程的同步必然要影响性能，因此ArrayList的性能比Vector好。 
2、Vector扩容时容量翻倍，而ArrayList只增加50%的大小，（直接查它们的grow()方法）这样,ArrayList就有利于节约内存空间。

总之ArrayList比Vector在性能方面（无论时间性能还是空间性能）都是能省则省。

List就说到这里。下一篇说说队列