Java实现动态数组【数据结构与算法】

1、数组

类型固定、长度固定

连续的内存空间

顺序存储、随机读取

查询快、新增删除慢。最好初始化的时候就指定数组大小。这样就可以避免一定的数组扩容出现的内存消耗。

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import java.util.Arrays;
import java.util.Iterator;

/**
 * @author Administrator
 * @date 2022-09-11 16:56
 * 实现一个数组
 */
public class MyArray<E> implements Iterable<E> {

	private Object[] elementData;   // Object存放数据

	public MyArray(int capacity)    // 构造方法 初始化容量大小
	{
		// 指定长度 初始化数组 new 出一块空间
		elementData = new Object[capacity];
	}

	/**
	 * 直接添加新元素
	 * @param element
	 * @return
	 */
	public boolean add (E element)
	{
		int size = elementData.length;  // 获取当前数组大小
		int newCapacity = size+1;   // 扩容+1
		// 此处发生性能消耗，新增数据时，需要扩容，整体数据需要复制迁移，实际上arraylist是1.5扩容！
		elementData = Arrays.copyOf(elementData,newCapacity); // 把旧的空间复制一份到新的空间并+1
		elementData[size]=element;
		return true;
	}

	/**
	 * set 方法 根据索引位置新增元素
	 * @param index
	 * @param element
	 * @return
	 */
	public E set (int index ,E element)
	{
		E oldValue = (E) elementData[index];    // 获取旧位置的元素值
		elementData[index] = element;           // 新值覆盖旧值
		return oldValue;          // 返回旧值

	}
	public E get (int index)
	{
		return (E) elementData[index]; // 返回对应索引位置的值
	}

	@Override
	public Iterator<E> iterator(){
		return new MyIterator();
	}

	class MyIterator implements Iterator<E>{
		int index = 0;
		@Override
		public boolean hasNext() {
			return index != elementData.length;
		}

		@Override
		public E next() {
			return (E) elementData[index++];    // 返回下一个元素值并+1
		}

		@Override
		public void remove() {
			//
		}
	}

	public static void main(String[] args) {
		MyArray<String> myArray= new MyArray<String>(10);   // 初始化一个容量为10的数组
		myArray.set(0,"q");
		myArray.set(2,"w");
		myArray.add("新增");
		Iterator<String> iterator = myArray.iterator();     // 使用迭代器
		while (iterator.hasNext()){
			System.out.println(iterator.next());
		}
	}
}

1.1、关于arraylist初始容量和扩容

ArrayList 新增元素的方法有两种，一种是直接将元素加到数组的末尾，另外一种是添加元素到任意位置。

arraylist默认构造器，在不指定大小的时候默认容量为 10。

在超出容量之后，每次扩容为当前容量大小的1.5倍+1。

1.2、关于迭代器

集合的顶层接口Collection继承Iterable接口。在Iterable接口中有一个Iterator方法，它返回一个Itertator对象。

public interface Iterable<T> {
    /**
     * Returns an iterator over elements of type {@code T}.
     *
     * @return an Iterator.
     */
    Iterator<T> iterator();
}

public interface Iterator<E> {
    boolean hasNext();
    
    E next();
    
    default void remove() {
        throw new UnsupportedOperationException("remove");
    }
}

迭代器遍历中调用集合revome()方法触发异常 java.util.ConcurrentModificationException 集合中并发修改的异常.

因为迭代器只负责遍历，它使用的仍然是集合本身的数据，在List集合实现的时候数组的长度size会因为remove发生变化的，同时元素的索引值也会因为remove( )方法的调用而发生变化。那么在遍历的时候的remove就需要对这个点进行复刻，而且如果在迭代器里使用了List原生的remove方法，那么就会引起数值不同步的问题。

在ArrayList集合的iterator()方法中，是通过返回Itr对象来获得迭代器的。Itr是ArrayList的一个内部类，它实现了Iterator接口，代码如下：

   private class Itr implements Iterator<E> {
        int cursor;       // index of next element to return
        int lastRet = -1; // index of last element returned; -1 if no such
        int expectedModCount = modCount;

        Itr() {}

        public boolean hasNext() {
            return cursor != size;
        }

        @SuppressWarnings("unchecked")
        public E next() {
            checkForComodification();
            int i = cursor;
            if (i >= size)
                throw new NoSuchElementException();
            Object[] elementData = ArrayList.this.elementData;
            if (i >= elementData.length)
                throw new ConcurrentModificationException();
            cursor = i + 1;
            return (E) elementData[lastRet = i];
        }

        public void remove() {
            if (lastRet < 0)
                throw new IllegalStateException();
            checkForComodification();

            try {
                ArrayList.this.remove(lastRet);
                cursor = lastRet;
                lastRet = -1;
                expectedModCount = modCount;
            } catch (IndexOutOfBoundsException ex) {
                throw new ConcurrentModificationException();
            }
        }

注意以下的三个属性：

cursor	索引下标，表示下一个可以访问的元素的索引，默认值为 0
lastRet	索引下标，表示上一个元素的索引，默认值为 -1
expectedModCount	对集合修改的次数，初始值为 0

我们知道：List的add和remove调用会增加modCount的值。也就是这两个操作会被计入对集合的修改次数。

在迭代器的源码中，有一个方法是用来判断 modCount 和 expectModCount 的值是否相等的，其中modCount的值来自List，expectModCount 是迭代器内定义的变量。那为什么要这么设计呢？

因为arraylist是线程不安全的。

结合iterrator的next方法，我们可以看到，如果没有这个校验，某个线程删除了list的一个元素，此时next方法不知道size变更了，依然去取数组里的数据，会导致数据为null或ArrayIndexOutOfBoundsException异常等问题。

ConcurrentModificationException发生在Iterator( )和next( )方法实现中，每次调用都会检查容器的结构是否发生变化，目的是为了避免共享资源而引发的潜在问题。

观察HashMap和ArrayList底层Iterator#next(), 可以看到fast-fail只会增加或者删除（非Iterator#remove()）抛出异常；改变容器中元素的内容不存在这个问题（主要是modCount没发生变化）。

在单线程中使用迭代器，对非线程安全的容器，但是只能用Iterator和remove；否则会抛出异常。

在多线程中使用迭代器，可以使用线程安全的容器来避免异常。

使用普通的for循环遍历，效率虽然比较低下，但是不存在ConcurrentModificationException异常问题，用的也比较少。

所以说如果在使用迭代器的时候，用到了List自带的remove方法，那么modCount改变了，但是迭代器内定义的变量expectedCount却没有改变，这样就会被抛出异常。

综上：我们在使用迭代器的时候，不要混用List本身的remove方法。

Iterator接口有四个方法，hasNext、next、remove和forEachRemaining

其中forEachRemaining是java1.8新增的

这个方法是针对集合中剩余元素的操作

剩余的含义是没有被iterator.next()遍历过的元素

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1.3、为什么迭代器在调用remove之前要先调用next

当使用Iterator迭代访问Collection集合元素时，Collection集合里的元素不能被改变，只有通过Iterator的remove()方法删除上一次next()方法返回的集合元素才可以；否则会引发java.util.ConcurrentModificationException异常。

查看next方法的源码可以看到 return (E) elementData[lastRet = i];这样一行代码，这行代码表示next方法在让数组下标cursor向后移动一位的同时，还会把lastRet的值变成当前返回的元素下标，这样remove方法就可以根据这个下标完成对元素的删除。