【数据结构与算法】手搓JDK底层ArrayList底层

数组

在介绍数组之前，我们先来看一段chatGPT给出的对于数组描述：
在这里插入图片描述

数组（Array）是一种线性数据结构，它由一组连续的内存空间组成，用来存储相同类型的数据元素。数组具有固定的大小，一旦创建后，其大小通常不能被动态改变。每个元素在数组中都有一个唯一的索引，通过索引可以快速访问数组中的元素。

Java中的ArrayList是一种动态数组的实现，它是java.util包下的一个类。ArrayList能够动态地增长和缩减，使得在>运行时可以根据需要添加或删除元素，而无需预先指定数组的大小。

在Java中，ArrayList的底层实现是一个数组。当你创建一个ArrayList时，Java会在内部创建一个Object类型的数组来存储元素。默认情况下，这个数组的初始大小是10。当向ArrayList添加元素时，如果数组已满，Java会自动创建一个新的数组，并将原数组中的元素复制到新数组中，然后继续添加新的元素。这个过程被称为"扩容"。

ArrayList还提供了一些方法来操作数组，比如添加元素（add）、获取元素（get）、删除元素（remove）、获取大小（size）等等。由于ArrayList底层使用数组实现，所以可以通过数组的索引来快速访问元素，这使得ArrayList在随机访问方面具有较好的性能。
总之，ArrayList是Java中常用的动态数组实现，它提供了灵活的数组操作方法，并且在需要动态调整大小的情况下能够高效地管理内存。

1) 概述

定义

在计算机科学中，数组是由一组元素（值或变量）组成的数据结构，每个元素有至少一个索引或键来标识

因为数组内的元素是连续存储的，所以数组中元素的地址，可以通过其索引计算出来，例如：

int[] array = {1,2,3,4,5}

知道了数组的数据起始地址 $B a se A dd ress$ ，就可以由公式 $B a se A dd ress + i * s i ze$ 计算出索引 $i$ 元素的地址

$i$ 即索引，在 Java、C 等语言都是从 0 开始
$s i ze$ 是每个元素占用字节，例如 $in t$ 占 $4$ ， $d o u b l e$ 占 $8$

小测试

byte[] array = {1,2,3,4,5}

已知 array 的数据的起始地址是 0x7138f94c8，那么元素 3 的地址是什么？

答：0x7138f94c8 + 2 * 1 = 0x7138f94ca

空间占用

Java 中数组结构为

8 字节 markword
4 字节 class 指针（压缩 class 指针的情况）
4 字节数组大小（决定了数组最大容量是 $2^{32}$ ）
数组元素 + 对齐字节（java 中所有对象大小都是 8 字节的整数倍[^12]，不足的要用对齐字节补足）

例如

int[] array = {1, 2, 3, 4, 5};

的大小为 40 个字节，组成如下

8 + 4 + 4 + 5*4 + 4(alignment)

随机访问性能

即根据索引查找元素，时间复杂度是 $O (1)$

2) 动态数组

java 版本

package com.dataStructure.dataStructure.array;import java.util.Arrays;
import java.util.Iterator;
import java.util.function.Consumer;
import java.util.stream.IntStream;/*** 动态数组*/
public class DynamicArray implements Iterable<Integer> {private int size = 0;     //有效元素个数private int capacity = 8; //容量private int[] array = {};  //懒加载/*** 向数组的最后位置添加元素** @param element 待添加元素*/public void addLast(int element) {add(size, element);}/*** 向数组任意位置插入元素** @param index   索引位置* @param element 待插入元素*/public void add(int index, int element) {//容量检查及扩容checkAndGrow();// 添加逻辑if (index >= 0 && index < size) {// 向后挪动, 空出待插入位置System.arraycopy(array, index, array, index + 1, size - index);}array[index] = element;size++;}/*** 数组扩容方法,该动态数组实现懒加载模式，* 并且如果数组满了，以1.5倍进行数组扩容*/private void checkAndGrow() {//容量检查if (size == 0) {array = new int[capacity];//初始化数组长度} else if (size == capacity) {//进行1.5倍扩容capacity += capacity >> 1;//创建一个容量为之前容量1.5倍的新数组int[] newArray = new int[capacity];//将原来数组中的元素拷贝到新数组中去System.arraycopy(array, 0, newArray, 0, size);//将新数组赋给全局变量array = newArray;}}/*** 删除元素** @param index 待删除元素索引* @return 删除元素*/public int remove(int index) {int removedElement = array[index];if (index < size - 1) {System.arraycopy(array, index + 1, array, index, size - index - 1);}size--;return removedElement;}/*** 查询元素** @param index 索引位置，在[0,size)区间内* @return 该索引位置的元素*/public int get(int index) {if (index >= 0 && index < size) {return array[index];} else throw new ArrayStoreException();}/*** 遍历方式 1** @param consumer 函数式接口*/public void foreach(Consumer<Integer> consumer) {for (int i = 0; i < size; i++) {consumer.accept(array[i]);}}/*** 遍历方法2—迭代器遍历*/@Overridepublic Iterator<Integer> iterator() {return new Iterator<Integer>() {int i = 0;@Overridepublic boolean hasNext() {return i < size;}@Overridepublic Integer next() {return array[i++];}};}/*** 遍历方法3—Stream流** @return 有效数组的流对象*/public IntStream stream() {return IntStream.of(Arrays.copyOfRange(array, 0, size));}
}