【数据结构】-5- 顺序表 （下）

一、集合框架 

这是 Java 集合框架（Java Collections Framework）的核心继承关系树状图

1. 最顶层：Iterable（接口）

• 作用：所有 “可迭代” 的集合（如 List、Set、Queue）都必须实现它，提供遍历元素的能力（通过 iterator() 方法生成迭代器）。
• 关键方法：Iterator<T> iterator() → 返回迭代器，用于遍历集合元素。

2. 第二层：Collection（接口）

• 地位：Java 集合框架的根接口（除 Map 体系外，所有集合都直接 / 间接继承它）。
• 定义：规范了集合的基础行为（增、删、查、遍历等），是所有单列集合（单个元素存储）的 “通用契约”。
• 关键方法：
  • add(E e)：添加元素
  • remove(Object o)：删除元素
  • contains(Object o)：判断是否包含元素
  • size()：获取元素个数
  • iterator()：获取迭代器（继承自 Iterable）

3. 第三层：三大子接口（List、Queue、Set）

Collection 派生出三个核心子接口，代表三种不同的集合特性：

（1）List（接口）

• 特点：有序、可重复（元素按插入顺序排列，允许存重复值）。
• 典型实现类：
  • ArrayList：基于动态数组，查询快（下标访问 O(1)）、增删慢（需移动元素）。
  • LinkedList：基于双向链表，增删快（改变指针 O(1)）、查询慢（需遍历链表）。
  • Vector：古老实现（线程安全，但性能差，已被 ArrayList 替代）。
  • Stack：继承 Vector，实现栈结构（后进先出，LIFO）。

（2）Queue（接口）

• 特点：队列特性（通常 “先进先出，FIFO”，但部分实现支持优先级）。
• 典型实现类：
  • LinkedList：同时实现 List 和 Queue，作为链表队列使用。
  • PriorityQueue：优先队列（元素按优先级排序，不严格遵循插入顺序）。
  • Deque（子接口）：双端队列（两端都可增删），LinkedList 也实现了它。

（3）Set（接口）

• 特点：无序、不可重复（元素无顺序，且 equals 相等的元素只能存一个）。
• 典型实现类：
  • HashSet：基于哈希表（HashMap 实现），增删查快（平均 O(1)），无序。
  • TreeSet：基于红黑树，元素自动排序（需实现 Comparable），查询慢（O(log n)）。
  • SortedSet（子接口）：规范 “有序 Set” 行为，TreeSet 实现它。

4. 抽象类（AbstractList）

• 作用：简化集合实现，为 List 接口的实现类提供通用逻辑（如部分方法默认实现）。
• 典型继承：ArrayList、LinkedList 都继承它，避免重复写 add、remove 等基础逻辑。

⭐ 核心设计思想

1. 接口分层：

   • Iterable 定义 “可遍历” 能力 → Collection 定义 “集合基础行为” → 子接口（List/Queue/Set）细化特性。
   • 解耦 “通用行为” 和 “具体特性”，方便扩展（如新增集合类型只需实现接口）。

2. 实现类分工：

   • 不同实现类（ArrayList/LinkedList/HashSet 等）针对不同场景优化（数组查快、链表增删快、哈希表去重等）。
   • 开发时根据需求选实现类（查多改少用 ArrayList；增删多用 LinkedList；去重用 Set）。

3. 复用与扩展：

   • 抽象类（如 AbstractList）封装通用逻辑，减少实现类代码量。
   • 接口（如 Deque 继承 Queue）扩展功能，让集合支持更多特性（双端操作）。

⭐ 典型应用场景

• 存有序可重复数据 → 选 List（如 ArrayList 存学生名单，允许重复姓名）。
• 存无序不可重复数据 → 选 Set（如 HashSet 存用户 ID，避免重复）。
• 需队列 / 栈行为 → 选 Queue/Stack（如 PriorityQueue 实现任务优先级调度）。

掌握这张图，就能清晰理解 Java 集合的体系脉络，开发时也能更合理地选集合类型～

二、集合和数组区别 

你观察得很敏锐！ArrayList 底层确实是用数组实现的（顺序表本质），但 “集合转数组” 的操作依然有其必要性，核心原因在于 “集合的抽象特性” 与 “数组的具体特性” 之间的差异，具体可以从三个角度理解：

⭐ 接口与实现的分离：集合是 “抽象容器”，数组是 “具体存储”

ArrayList 虽然底层用数组存储，但它对外暴露的是 List 接口的抽象方法（如 add、get、size 等），隐藏了数组的具体实现细节（比如扩容逻辑、下标管理等）。

这种 “抽象” 带来了便利（比如无需手动管理容量），但也限制了对底层数组的直接操作。例如：

• 你不能直接用 ArrayList 调用数组特有的工具方法（如 Arrays.sort()、Arrays.binarySearch()）；
• 某些 API 或框架可能只接收 Object[] 类型的参数（而非 List 集合）。

此时，toArray() 的作用就是 “打破抽象”，将集合中 “隐藏的数组元素” 提取出来，转换为可直接操作的数组对象，以便使用数组的特性或兼容外部需求。

⭐ 功能场景的差异：集合擅长 “动态管理”，数组擅长 “静态操作”

ArrayList 作为集合，核心优势是 动态管理数据（自动扩容、简化增删逻辑）；而数组的优势是 静态高效操作（如固定长度下的快速遍历、使用 Arrays 工具类的各种功能）。

举两个典型场景：

1. 需要使用数组工具类：
   Arrays 类提供了大量便捷方法（排序、二分查找、填充等），但这些方法的参数必须是数组。例如，要对 ArrayList 中的元素排序，直接操作集合不方便，但转成数组后就很简单：

   List<Integer> list = new ArrayList<>(Arrays.asList(3, 1, 2));
   Integer[] arr = list.toArray(new Integer[0]); // 转数组
   Arrays.sort(arr); // 用数组工具排序
   System.out.println(Arrays.toString(arr)); // [1, 2, 3]
   

2. 需要固定长度的不可变结构：
   集合是 “动态的”（可以随时 add/remove 元素），而有时我们需要一个 “固定不变的快照”（比如传递数据时不希望被修改）。数组的长度固定，转成数组后可以避免误操作导致的元素变化：

   Object[] arr = list.toArray(); // 数组长度固定为3
   // 此时即使修改原集合，数组也不受影响
   list.add("西瓜"); 
   System.out.println(arr.length); // 仍为3（数组长度不变）
   

⭐ 类型系统的限制：集合的泛型与数组的 “具体化”

ArrayList 虽然通过泛型（如 List<String>）保证了元素类型安全，但这种泛型是 编译时检查，运行时会被擦除（类型擦除）。而数组是 “具体化类型”（运行时也能确定类型），两者在类型处理上有差异。

例如，当需要将集合元素传递给一个 “要求具体类型数组” 的方法时（如 void process(String[] strs)），直接传 List<String> 会编译报错，必须通过 toArray(String[]) 转换为具体类型的数组：

process在编译检查时会确定里面的参数是不是string类型数组，但是List<String>里面会被擦除，无法判断是不是确切的String类型，编译会报错。

// 定义一个接收 String[] 参数的方法
public static void process(String[] strs) {for (String s : strs) {System.out.println(s);}
}// 调用方法时，必须将 List<String> 转为 String[]
List<String> list = new ArrayList<>(Arrays.asList("a", "b"));
process(list.toArray(new String[0])); // 正确：传递 String[] 数组

总结

ArrayList 底层用数组实现，但它作为 “集合” 提供的是更高层次的抽象功能（动态管理）。而 toArray() 的作用是 在需要时 “降级” 到数组层面，利用数组的特性（工具类支持、固定长度、具体类型）来满足特定场景需求。

简单说：集合是 “包装好的数组”，方便日常使用；toArray() 是 “拆包装” 的工具，让我们在需要时能直接操作里面的 “数组内核”。

 三、toArray() 

在 Java 集合框架中，toArray() 是 Collection 接口（所有集合类的顶层接口，如 ArrayList、LinkedList、HashSet 等都实现了它） 定义的核心方法，作用是 将集合中的所有元素，转换为一个「数组」并返回，本质是实现「集合 → 数组」的类型转换。

[1] 核心作用：集合转数组的 “桥梁”

集合（如 ArrayList）是动态存储结构（大小可自动扩容），而数组是静态存储结构（初始化后大小固定）。

当需要用数组的方式操作集合元素（比如兼容某些只接收数组参数的方法、或需要数组的高效随机访问特性）时，toArray() 就是两者之间的关键桥梁。

// 1. 创建一个集合，存入元素
List<String> list = new ArrayList<>();
list.add("苹果");
list.add("香蕉");
list.add("橙子");// 2. 调用 toArray()，将集合转为数组
Object[] fruitArray = list.toArray();// 3. 遍历数组（此时可以用数组的操作方式处理原集合元素）
for (Object fruit : fruitArray) {System.out.println(fruit); // 输出：苹果、香蕉、橙子
}

在代码 Object[] fruitArray = list.toArray(); 中，toArray() 方法括号里没有 new Object[0]，是因为调用的是 无参的 toArray() 方法，而不是带参数的 toArray(T[] a) 方法。这两个方法的设计目的和返回值有本质区别：

1. 无参 toArray()：直接返回 Object[] 数组

无参的 toArray() 方法是 Collection 接口定义的默认实现，它的行为是：

• 返回值固定为 Object[] 类型，无论集合的泛型是什么（即使是 List<String>，返回的也是 Object[]）。
• 内部会创建一个新的 Object[] 数组，并将集合中的元素复制进去。

因此，当我们写 list.toArray() 时，不需要传入任何参数，方法会自动创建并返回一个 Object[] 数组，所以代码中直接写成 list.toArray() 即可，无需 new Object[0]。

2. 带参 toArray(T[] a)：需要传入数组参数

另一个重载方法 toArray(T[] a) 的作用是 返回指定类型的数组（如 String[]、Integer[]），而非默认的 Object[]。此时需要传入一个数组参数（如 new String[0]），目的是：

• 告诉方法 “我需要返回什么类型的数组”（参数的类型决定了返回数组的类型）。
• 例如 list.toArray(new String[0]) 会返回 String[] 类型，而不是 Object[]。

3. 为什么这里不需要 new Object[0]？

因为代码的需求是 获取 Object[] 类型的数组，而无参 toArray() 正好直接返回 Object[]，完全满足需求。此时如果画蛇添足地传入 new Object[0]，写成：

Object[] fruitArray = list.toArray(new Object[0]); // 多余的参数

虽然功能上没问题（返回的也是 Object[]），但参数是多余的 —— 无参方法已经能实现同样的效果，传入参数反而增加了代码的冗余。

[2] 两种常用重载形式（重点区分）

toArray() 有两个核心重载方法，用法和返回值差异很大，实际开发中需根据需求选择：

方法签名	返回值类型	核心特点	适用场景
Object[] toArray()	Object[]	固定返回 Object 类型数组，无论集合泛型是什么	仅需 “遍历元素”，不关心元素具体类型时（但有类型转换风险，需谨慎）
<T> T[] toArray(T[] a)	传入的数组类型 T[]	可指定返回数组的具体类型（如 String[]、Integer[]），避免后续强制类型转换	需要明确数组类型（如调用需 String[] 参数的方法），是更常用、更安全的方式

（1）无参 toArray()：返回 Object[]

• 特点：无论原集合的泛型是 String、Integer 还是其他类型，返回的数组元素类型都是 Object（因为数组的编译时类型是 Object[]）。
• 注意：不能直接将返回的 Object[] 强制转为具体类型数组（如 String[]），会触发 ClassCastException（类型转换异常）。

List<String> list = new ArrayList<>();
list.add("a");
// 错误！Object[] 不能直接强转 String[]
String[] arr = (String[]) list.toArray(); // 运行时抛 ClassCastException

（2）带参 toArray(T[] a)：返回指定类型数组

• 特点：传入一个 “指定类型的数组” 作为参数，方法会根据该数组的类型，返回一个同类型的数组（存储集合元素），避免类型转换风险。
• 内部逻辑：
  1. 如果传入的数组 a 大小 ≥ 集合元素个数：直接将集合元素填入数组 a，多余位置填 null，返回 a 本身；
  2. 如果传入的数组 a 大小 ＜ 集合元素个数：创建一个 “和 a 同类型、大小等于集合元素个数” 的新数组，填入元素后返回新数组。

List<String> list = new ArrayList<>();
list.add("a");
list.add("b");// 方式1：传入一个大小足够的数组（推荐，避免创建新数组）
String[] arr1 = new String[list.size()];
arr1 = list.toArray(arr1); // 返回 String[]，可直接使用// 方式2：传入一个空数组（简洁，JDK 1.8+ 常用）
String[] arr2 = list.toArray(new String[0]); // 内部会创建大小为 2 的新 String[]// 遍历数组（无需强制转换，类型安全）
for (String s : arr2) {System.out.println(s); // 输出 a、b
}

[3] 关键注意点（避坑）

（1）无参 toArray() 的类型限制

再次强调：无参方法返回的 Object[] 只能存 Object 类型，不能强转具体类型数组。若需具体类型，必须用带参 toArray(T[] a)。

（2）返回数组是 “新数组” 还是 “原集合底层数组”？

• 对于 ArrayList：toArray() 返回的是复制后的新数组，修改数组元素不会影响原集合（因为数组和集合底层存储的是两个独立的数组）。

  List<Integer> list = new ArrayList<>();
  list.add(10);
  Integer[] arr = list.toArray(new Integer[0]);
  arr[0] = 20; // 修改数组元素
  System.out.println(list.get(0)); // 输出 10（原集合无变化）
  

• 对于其他集合（如 Vector）：逻辑类似，均返回 “元素副本的数组”，避免外部通过数组修改集合内部状态。

（3）集合元素为 null 时的处理

若集合中包含 null 元素，toArray() 会将 null 也存入数组（数组允许 null），遍历数组时需注意判空，避免 NullPointerException。

List<String> list = new ArrayList<>();
list.add("a");
list.add(null); // 集合允许存 null
String[] arr = list.toArray(new String[0]);
System.out.println(arr[1]); // 输出 null

四、List 接口常用方法 

一、增（添加元素）

• boolean add(E e)

  • 功能：在顺序表末尾插入元素（尾插）。
  • 逻辑：检查容量 → 数组末尾赋值 → size++ 。
  • 示例：

    ArrayList<Integer> list = new ArrayList<>();
    list.add(10); // 末尾插入10，size 变为1
    

• void add(int index, E element)

  • 功能：在指定下标 index 处插入元素，后续元素后移。
  • 逻辑：检查下标合法性 → 扩容（如需） → 从 index 开始后移元素 → 插入新值 → size++ 。
  • 注意：index 范围 [0, size]（允许末尾插入，对应 index=size ）。
  • 示例：

  • list.add(1, 20); // 在索引1处插入20，原索引1及之后元素后移
    

• boolean addAll(Collection<? extends E> c)

  • 功能：把另一个集合 c 的元素全部尾插到当前表。
  • 逻辑：遍历集合 c ，逐个尾插元素；若插入成功（至少一个），返回 true 。
  • 示例：

    List<Integer> other = Arrays.asList(30, 40);
    list.addAll(other); // 末尾插入30、40，size 增加2
    

二、删（删除元素）

1. E remove(int index)

   • 功能：删除指定下标 index 处的元素，返回被删元素；后续元素前移。
   • 逻辑：检查下标合法性 → 保存被删元素 → 从 index+1 开始前移元素 → size-- → 返回被删值。
   • 示例：

     int removed = list.remove(1); // 删除索引1的元素，返回该元素
     

2. boolean remove(Object o)

   • 功能：删除第一个遇到的元素 o（基于 equals 比较），删除成功返回 true 。
   • 逻辑：遍历查找第一个与 o 相等的元素 → 找到则删除（后续元素前移） → 返回是否删除成功。
   • 注意：若存储自定义对象，需重写 equals 保证比较逻辑正确。
   • 示例：

     list.remove(Integer.valueOf(20)); // 删除第一个值为20的元素
     

三、改（修改元素）

• E set(int index, E element)
  • 功能：将下标 index 处的元素替换为 element，返回原元素。
  • 逻辑：检查下标合法性 → 保存原元素 → 赋值新元素 → 返回原元素。
  • 示例：

  • int old = list.set(1, 25); // 索引1的元素改为25，返回原元素
    

四、查（获取 / 查找元素）

1. E get(int index)

   • 功能：获取下标 index 处的元素。
   • 逻辑：检查下标合法性 → 直接返回数组对应位置的值（时间复杂度 O(1) ）。
   • 示例：

     int val = list.get(1); // 获取索引1处的元素值
     

2. boolean contains(Object o)

   • 功能：判断元素 o 是否存在于表中（基于 equals 遍历比较）。
   • 逻辑：遍历表，用 equals 比较元素；找到则返回 true ，否则 false 。
   • 注意：自定义对象需重写 equals ，否则比较地址而非内容。
   • 示例：

     boolean has = list.contains(25); // 判断25是否在表中
     

3. int indexOf(Object o)

   • 功能：返回第一个 o 所在的下标（基于 equals 遍历）；不存在返回 -1 。
   • 逻辑：遍历表，找到第一个与 o equals 的元素，返回其下标。
   • 示例：

     int idx = list.indexOf(25); // 找25第一次出现的下标
     

4. int lastIndexOf(Object o)

   • 功能：返回最后一个 o 所在的下标（反向遍历，基于 equals ）；不存在返回 -1 。
   • 逻辑：从表末尾往前遍历，找到第一个与 o equals 的元素，返回其下标。
   • 示例：

     int lastIdx = list.lastIndexOf(25); // 找25最后一次出现的下标
     

五、工具操作

1. void clear()

   • 功能：清空顺序表（元素个数置 0，数组引用可保留或重置，不同实现可能有差异）。
   • 逻辑：size = 0 （或额外把数组元素置 null ，帮助 GC 回收）。
   • 示例：

     list.clear(); // 清空后 size=0，元素全被移除
     

2. List<E> subList(int fromIndex, int toIndex)

   • 功能：截取从 fromIndex（含）到 toIndex（不含）的子表，返回新 List 。
   • 逻辑：创建新 List ，遍历原表对应区间，复制元素；子表与原表共享底层数组（修改子表会影响原表，需注意）。
   • 示例：

     List<Integer> sub = list.subList(1, 3); // 截取索引1、2的元素，生成子表
     

六、方法调用关系 & 核心特点

• 依赖关系：增删操作常依赖扩容（如 add 时检查容量）、元素移动（插入 / 删除时数组拷贝）；查找依赖 equals（自定义对象需重写）。
• 时间复杂度：
  • 尾插 / 尾删（不扩容时）：O(1) ；
  • 指定位置增删（需移动元素）：O(n) ；
  • 查找（遍历）：O(n) ；
  • 下标访问（get/set）：O(1) 。
• 适用场景：适合频繁按下标访问、尾插操作；若需大量中间增删，优先选链表（如 LinkedList ）。

五、 Java 集合的迭代器（Iterator）遍历机制 

一、迭代器的作用：“指针” 式遍历集合

迭代器（Iterator）是 Java 集合框架中用于安全遍历集合元素的工具，它像一个 “移动的指针”，依次访问集合中的每个元素。

核心优势：

• 支持在遍历中安全删除元素（避免普通 for 循环遍历删除时的 ConcurrentModificationException）；
• 统一了各类集合的遍历方式（List、Set、Queue 都能用迭代器遍历）。

二、代码执行流程

假设 list 是一个 List<Integer>，存储元素 [1, 2, 3]，代码：

Iterator<Integer> it = list.iterator(); // 1. 获取迭代器
while (it.hasNext()) {                  // 2. 检查是否有下一个元素System.out.println(it.next() + " "); // 3. 获取并移动到下一个元素
}

1. 获取迭代器：list.iterator()

• 作用：创建一个与 list 关联的迭代器对象 it，初始时指向集合第一个元素之前（类似指针在数组下标 -1 的位置）。

2. 检查是否有下一个元素：it.hasNext()

• 作用：判断迭代器当前位置之后是否还有未访问的元素。
• 执行逻辑：
  • 第一次调用：指针在 -1，检查到下标 0 有元素（1），返回 true。
  • 第二次调用：指针在 0（已访问 1），检查到下标 1 有元素（2），返回 true。
  • 第三次调用：指针在 1（已访问 2），检查到下标 2 有元素（3），返回 true。
  • 第四次调用：指针在 2（已访问 3），检查到下标 3 无元素，返回 false，结束循环。

3. 获取并移动指针：it.next()

• 作用：返回当前指针位置的下一个元素，并将指针向后移动一位（“自动向下执行” 的本质）。
• 执行逻辑：
  • 第一次 it.next()：返回下标 0 的元素 1，指针移动到 0 → 1 之间（指向 1 之后）。
  • 第二次 it.next()：返回下标 1 的元素 2，指针移动到 1 → 2 之间。
  • 第三次 it.next()：返回下标 2 的元素 3，指针移动到 2 → 3 之间。

三、迭代器的 “指针” 模型（对应图中结构）

图中右侧的 “竖排方框” 代表集合 list 的元素（1、2、3），it 是迭代器指针，执行流程对应：

1. 初始状态：it 指向第一个元素（1）之前（无具体位置，逻辑上在 -1）。
2. 第一次 hasNext()：检测到 1 存在 → 进入循环 → next() 返回 1，指针移动到 1 之后。
3. 第二次 hasNext()：检测到 2 存在 → 进入循环 → next() 返回 2，指针移动到 2 之后。
4. 第三次 hasNext()：检测到 3 存在 → 进入循环 → next() 返回 3，指针移动到 3 之后。
5. 第四次 hasNext()：检测到无元素 → 退出循环。

四、迭代器的关键特点

1. 单向遍历：只能从前往后遍历，无法回退（若需回退，用 ListIterator 子接口）。
2. 快速失败（fail-fast）：遍历中若集合被修改（如 list.add/list.remove），会立即抛出 ConcurrentModificationException，避免脏读。
3. 与集合状态绑定：迭代器遍历的是创建时集合的 “快照”（但如果是 ArrayList 等基于数组的集合，遍历中修改会触发快速失败）。

五、对比普通 for 循环遍历

虽然 for-each 本质也是迭代器遍历，但手动用 Iterator 的优势在于：

• 支持遍历中删除元素（it.remove()，安全且不会报错）；
• 更灵活（可控制遍历过程，比如跳过某些元素）。

示例：遍历中删除元素（安全写法）

Iterator<Integer> it = list.iterator();
while (it.hasNext()) {Integer num = it.next();if (num == 2) {it.remove(); // 安全删除当前元素}
}

理解迭代器的 “指针移动” 模型后，就能掌握集合遍历的底层逻辑，遇到遍历相关的问题（如并发修改异常）也能快速定位啦～