java基础知识（二）
ArrayList初始化
ArrayList部分一共五篇文章了，并且引入了时间复杂度来分析，强烈建议大家一定要按顺序阅读，相关文章分别是：
前些天的文章，反复的画图，不停的重复，就是想让大家理解，对象在内存中是什么样的。也是为今天的及以后的讲解打下基础。如果要说大家在写Java代码的时候哪个类用得最多，我想除了String，基本上就是ArrayList了吧，那今天我们说说ArrayList。
首先ArrayList是一个普通的类，我们来看一段代码：
首先：执行List<Person> list1 = new ArrayList<>();当看到new这个关键字的时候，我们脑袋里应该第一印象就是这货在堆内存开辟了一块空间，好我们再来画一画。
注：常量池位于方法区，方法区位于堆内存，前面没涉及到，所以没画方法区，现在补上
好，既然是new出来的，那我们直接从构造函数入手，看一下构造函数做了什么。
很简单，就一行代码，继续看一下，this.elementData和DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA分别是什么
红框里的内容是不是似曾相识？是的，和String一样，底层是数组，唯一的区别是String底层是char[]数组（忘了的可以复习一下，传送门：String是一个很普通的类 - 知乎专栏），而这儿是Object[]数组，也就是说该数组可以放任何对象（所有对象都继承自父类Object）,执行完构造函数后，如下图。
注：static修饰的变量，常驻于方法区，我们不需要new，JVM会提前给我们初始化好，这个特性在实际开发过程中，经常拿来做缓存。在让人疑惑的Java代码 - 知乎专栏 一文中，我们文中Integer的缓存就是最好的例子。static变量又叫类变量，不管该类有多少个对象，static的变量只有一份，独一无二。
fianl修饰的变量，JVM也会提前给我们初始化好。
transient这个关键字告诉我们该对象在序列化的时候请忽略这个元素，后续我们会讲序列化，这儿先跳过。
继续执行：List<Person> list2 = new ArrayList<>();
ArrayList这个类的作者真是好贴心，new的时候连缓存都考虑到了，为了避免我们反复的创建无用数组，所有新new出来的ArrayList底层数组都指向缓存在方法区里的Object[]数组。
继续执行Person person1 = new Person("张三")
继续，执行list1.add(person1)，不多说，看源码ArrayList是怎么处理add的。
我们先看ensureCapacityInternal方法，方法里有个参数是size，看们先看一下这个size从哪来的。
原来是一个成员变量，相信大家看到size一猜就知道大概是干嘛的了吧。好，我们在图里的ArrayList对象里补上它，size是int基本数据类型，成员变量初始化的为0。
继续往下看
ensureCapacityInternal方法是在add里面调用的。
再看grow方法
跟进到Arrays这个工具类，很简单
再看copyOf()方法
最后我们来看一下System.arraycopy()方法，好奇怪，这个方法只有定义，却没有实现，方法用了一个native来修饰。native的方法，是由其它语言来实现的，一般是(C或C++)，所以这儿没有实现代码。这是一个数组拷贝方法，大家还在写for循环拷贝数组吗？以后多用这个方法吧，简单又方便还能获得得更好的性能。
注：native方法，我们会后续会讲解，我们先关注本章内容。
由于数组内容目前为空，相当于没有拷贝。折腾了这么久，原来只是为了创建一个默认长度为10的Object[]数组，有些朋友说，直接new不就行了，这么费劲，其实这里面大有文章，别急，稍后会说，继续画图。
再回过头来看，add()这个方法，继续往下执行：
很简单，size现在是0，就是把传进来的这个e(这里是person1)，放到list1的elementData[]下标为0的数组里面，同时size加1，老规矩，上图。
注意看红框里，虽然我们list1里的elementData数组的长度是10，但是size是1，size是逻辑长度，并不是数组长度。
现在debug一下，验证我们图里的内容：
好的，执行一下本文开始那段代码，看结果：
顺便看一看size()方法的源码：
有人说，呀，就一个元素，在堆内存中占了10个位置，好浪费呀，没办法，你要享受ArrayList的便利与丰富的API，就得牺牲一下空间作为代价。
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ArrayList底层数组扩容原理
ArrayList部分一共五篇文章了，并且引入了时间复杂度来分析，强烈建议大家一定要按顺序阅读，相关文章分别是：
再次强调，ArrayList是一个普通的类，如果我们开心，可以自己写一个。
ArrayList初探 - 知乎专栏 文章发表后，评论区有人问如下问题。
我们先回顾一下之前的所说过的数组，话不多说，上代码：
老规则，我们继续画一画，加深一下印象，上图：
这个图我们去掉了ArrayList初探 - 知乎专栏 一文图里那些无用的细节（方法区，常量池等），方便大家看起来清晰，我们用eclipse的debug功能看一下，看是否与我们图上画的一致
再看一下执行结果，也在我们期望中。
好，我们改一下代码，再往数组里加添加一个叫“周八”的person对象
执行一下
看到了传说的中数组下标越界异常。在Java中，数组一但在堆内存中创建，长度是固定的。
既然是固定的，那我们要往数组里加一个“周八”用户怎么办？没办法，只能重新new长一点的新的数组，把原来数组的元素复制过去，好吧，开始写代码吧，相信大家都会写
把老数组的元素循环一下，赋值给新的数组，很简单也很清晰。debug看一下
“周八”已经有了。以上代码虽然简单，但还不是最优雅的，老鸟一般会这么写，该段代码执行结果和上面那段代码一样。
再画个图加深一下印象吧：
此图已用尽我洪荒之力，希望大家以后多想想对象在堆内存中的样子。不枉我一片苦心呀。
看到System.arraycopy(）方法是不是似曾相识呢？我们在ArrayList初探 - 知乎专栏 一文中提了一下，相信看到这里，大家都知道ArrayList里的底层数组扩容是怎么实现的了吧。在ArrayList初探 - 知乎专栏 一文中，我们知道当ArrayList如果不指定构造个数的话，第一次往里面添加元素时底层数组会初始化一个长度为10的数组，我们再回顾一下昨天的源码，再来看一下ArrayList里的源码，当添加第11个元素时
再看grow()方法
这儿有一段代码：int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1)，>>是移位运算符，相当于int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity/2)，但性能会好一些。
本文开始那个问题，到这儿就解决了，这就是数组的扩容，一般是oldCapacity + (oldCapacity >> 1)，相当于扩容1.5倍。
看到这里，相信在以后的面试中，面试官再问数组和ArrayLIst的区别的时候，大家应该有了自己的理解，而不是去背面试题了。
ArrayList还提供了其它构造方法，我们顺便来看一下。
我们再看一下源码，好简单：
当我们在写代码过程中，如果我们大概知道元素的个数，比如一个班级大概有40-50人，我们优先考虑List<Person> list2 = new ArrayList<>(50)以指定个数的方式去构造，这样可以避免底层数组的多次拷贝，进而提高程序性能。
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时间复杂度
ArrayList部分一共五篇文章了，并且引入了时间复杂度来分析，强烈建议大家一定要按顺序阅读，相关文章分别是：
最近看了一下评论区里，大家都急着想要了解HashMap，先不要着急，要完整的了解HashMap的内部实现，我们还需要一些基础知识，有了这些基础知识，我们才能更好的理解HashMap，其实我们已经在不知不觉进入了数据结构的大门，为了以后让大家能更好的理解后续文章，本文我们先引入时间复杂度这个概念。
还是那个Person对象，增加了一个属性年龄
创建一个数组，并在数组里放了10个Person对象，老规矩，我们上图：
假如我们有这么一个需求，我们想知道小组里周八的年龄，相信大家都会写代码去找：
需要循环取6次从数组里获取Person对象。
这时候小明同学过来说，哎呀，我知道周八在小组的第5个位置（数组下标5），不用循环，我们直接找他就是
不需要循环，1次就取到了Person对象：
无论数组中有多少个元素，每次去读取元素和并比较的时间总是相同的，假设这个时间为K，在上面示例中在数组中循环搜索某个用户，我们循环了6次才搜索到该用户，时间为6*K，在效率上来看，前者比后者的方式快了6倍，但这种说法意义不大，因为在实际中，数组可能有100个元素，而这个“周八”有可能在数组的第1个位置，也有可能在最后一个位置。
在现实中，我们用来计算时间的长短，一般单位有小时，分钟，秒等，同样我们也需要一种度量来计算本示例中的算法的效率，在计算机科学中，这种度量方法被称为“大O”表示法。
当我们知道元素的位置，一步到位就能访问到该元素，这个时间为K，时间复杂度用大O表示法标记为O(1)，省略了K。而在数组中查找某元素，我们并不知道这个元素在数组的什么位置，假设数组的长度为n，有可能该元素刚好在数组的下标为0的位置（第一个位置）循环1次就匹配到了，时间复杂度为O(1)。也有可能在数组下标为n-1的位置（最后一个位置）我们要循环n次才能匹配到该值，时间复杂度为O(n)，按照概率计算下来平均是n/2，即平均时间复杂度为O(n/2)，但我们不应该只考虑平均值，我们要考虑最坏的情况，即假设每次匹配的元素都在数组的最后一位，因为最坏情况是一种运行时间保证，运行时间不会再长了，如果我们没特别指定，我们提到的运行时间都是最坏情况的运行时间，即在数组中查找某元素，时间复杂度为O(n);
在长度为n数组中：
直接通过下标去访问元素，时间复杂度为O(1)。
需要循环查找元素的时候，时间复杂度为O(n)。
下一章我们将分析ArrayList的删除元素的源码，来分析一下ArrayList的时间复杂度，进而了解ArrayList的优点与不足。
三顾ArrayList
ArrayList部分一共五篇文章了，并且引入了时间复杂度来分析，强烈建议大家一定要按顺序阅读，相关文章分别是：
第三次强调，ArrayLIst是一个普通的类。
好，现在我们来讨论一下数组的删除，我们知道数组一但在堆内存中创建出来，数组长度是不可变的，看以下源码：
添加10个用户
比如我们要把“周八”这个人从数组中删除，如图：
我们只能循环数组，找到“周八“的下标5，由于数组没有提供删除方法，我们只能把下标为5的位置赋值为null(造成了数组空洞)，“周八”这个Person对象已经没有引用指向它了，JVM的垃圾回收机制会在适当的时候回收它。但数组的长度还是10。下次当我们再循环查找某人时，稍不注意就会报空指针异常，虽然我们可以写非空去判断，但还是不太友好，我们把null后面的所有元素引用复制一下，往前拷贝一份，把null这个空给填上，如下图
复制后：
null之后的ref引用都按顺序复制了一份到原来的null的位置，原有的1引用被覆盖，但perArr[9]里的引用的指向还是不变（注意，是复制不是挪动，仔细看一下上面两个图）。
注意：perArr[8],perArr[9]指向的是同一个对象，这显然不是我们所要的结果，再处理一下，我们把perArr[9]的引用赋值为null。如下图：
问题似乎解决了，但数组长度还是10，还需要自行维护了一个size来记录长度，以上数组复制的代码，我们都要自己去写，好在ArrayList这个类已经实现了，数组拷贝工作交给它就好，我们只需要调用ArrayList这个类提供的remove删除元素就行，至于底层数组怎么拷贝，元素怎么删除由ArrayList对象本身去搞定（面向对象的思想），我们来看一看ArrayList的两种元素删除方式，首先是按照下标删除：
我们先看看删除前的元素，debug一下：
perList里面已经有了10个元素，执行一下这两句remove操作，再看一下debug的情况
下标为5的“周八”已经删除掉了，下标为5以后的元素也按照我们之前的猜想往前移了一位，数组最后一个位置也置为null了。奇怪！“孙七”居然没有删掉！打印出来的个数也是9
我们看一下两种删除方式的源码。
基本上和我们图中的分析一致，并采用size来记录元素的真实个数，这段代码里还调了一个方法rangeCheck()方法，我们看一下：
好简单对不对，就是检查底层数组下标是否越界。我们再看另外一种删除方式
再看一下fastRemove()方法
和上面用下标删除方式一致，这儿就不细说了。
相信大家看到上面熟悉的equals()方法，就大概知道“孙七”为什么没有删掉了，如果你写了一个类（Person），你需要这个类完美的支持List，你必需按照List的规范来写代码，我们在
说说Java里的equals（中） - 知乎专栏 一文中已经说得很清楚了，这儿就不细说了。
知道问题的原因就好解决了，我们重写equals()方法试一下。
重写完equals方法，执行一下再debug看一下
孙七已经删除掉了，孙七后面的所有人也向前复制了一格，末位置为null，size也是8了，再画一画图：
图中的“孙七”，“周八”已经没有引用指向它们，JVM虚拟机会在适当的时候进行回收。
我们说一说ArrayList中删除元素的时间复杂度。在ArrayLIst中，如果底层数组长度为n。
当我们用下标方式去删除元素时，如果删除的是最后一个元素，不会触发数组底层的复制，时间复杂度为O(1)。如果删除第i的元素，会触发底层数组复制n-i次，根据最坏情况，时间复杂度为O(n)。
由此看来，在ArrayList中删除指定元素的效率似乎不是太高，删除元素会造成底层数组复制，这个问题在LinkedList有方案解决，请关注后续专栏文章。
示例中，用对象的方式来删除元素，只是想告诉大家，这种删除方式是用equals方法来查找元素的下标进而删除的，实际工作中很少遇到需要new一个对象去删除的情况。不建议一上来就重写equals方法，除非你有特殊的需求。如果重写了equals方法，请一并重写hashCode方法，这个问题在说说Java里的equals（中）一文中已经说过了。
ArrayList的时间复杂度
第一次修正：2017年7月25日 新增加了存元素set(int index, E element)的介绍，并修改了总结。
ArrayList部分一共五篇文章了，并且引入了时间复杂度来分析，强烈建议大家一定要按顺序阅读，相关文章分别是：
在以前的文章里，我们已经看过了add方法的源码，还有一个add方法，我们看一下， public void add(int index, E element) ，从指定位置添加元素
按照下标把元素添加到指定位置，想必大家都知道，我们直接上源码。
老规矩，我们还是画一画，当执行到System.arraycopy()这个方法时
我看到有些书上写的是依次移动元素到下一格，这种说法不够严谨，所以我再强调一遍，是依次复制插入位置及后面的数组元素，到后面一格，不是移动，因此，复制完后，arr[2],arr[3]指向对一个对象。
在代码执行完这一句
我们debug验证一下。
最后，在堆内存中创建李莫愁这个对象，把arr[2]的引用指向它。
再debug一下
最后我们来说说ArrayLIst这个对象里添加的时间复杂度：
如果我们不指定位置直接添加元素时(add(E element))，元素会默认会添加在最后，不会触发底层数组的复制，不考虑底层数组自动扩容的话，时间复杂度为O(1) ，在指定位置添加元素(add(int index, E element))，需要复制底层数组，根据最坏打算，时间复杂度是O(n)。
最后我们说一说读取元素，下面代码是获取List中下标为2的元素
看一下源码：
很简单，读取元素和数组长度无关，直接从底层数组里去拿元素。
评论区有人说，为什么是“李莫愁”，看样子是不太喜欢“李莫愁”，我们可以调用 set(int index, E element)方法来替换。
我们看一看这个方法的源码
很简单，就是往指定位置放入元素，并返回原来的元素，最后我们来画一画
图中“李莫愁”已经没有引用指向它了，JVM会在合适的时候回收它，底层数组第2个位置已经换成了“小龙女”，我们debug验证一下。
没错，已经换成小龙女了。
这是最后一期ArrayLIst源码分析，引入了时间复杂度，最后，我们来做个总结：
根据前几篇文章我们可以看出来，在ArrayList中，底层数组存/取元素效率非常的高(get/set)，时间复杂度是O(1)，而查找，插入和删除元素效率似乎不太高，时间复杂度为O(n)。
当我们ArrayLIst里有大量数据时，这时候去频繁插入/删除元素会触发底层数组频繁拷贝，效率不高，还会造成内存空间的浪费，这个问题在另一个类：LinkedList里有解决方案，请期待后续文章讲解。
查找元素效率不高，在HashMap里有解决方案，请关注后续文章。
