一、前言
数组是数据结构还是数据类型？
数组只是个名称，它可以描述一组操作，也可以命名这组操作。数组的数据操作，是通过 idx->val 的方式来处理。它不是具体要求内存上要存储着连续的数据才叫数据，而是说，通过连续的索引 idx，也可以线性访问相邻的数据。
那么当你定义了数据的存储方式，也就定义了数据结构。所以它也是被归类为数据结构。
二、数组数据结构
数组（Array）是一种线性表数据结构。它用一组连续的内存空间，来存储一组具有相同类型数据的集合。
数组的特点：
- 数组是相同数据类型的元素集合（int 不能存放 double）
- 数组中各元素的存储是有先后顺序的，它们在内存中按照这个顺序连续存放到一起。内存地址连续。
- 数组获取元素的时间复杂度为O(1)
1. 一维数组
一维数组是最常用的数组，其他很多数据结构的变种也都是从一维数组来的。例如 HashMap 的拉链寻址结构，ThreadLocal 的开放寻址结构，都是从一维数组上实现的。
2. 二维数组
二维以及多维数组，在开发场景中使用到的到不是不多，不过在一些算法逻辑，数学计算中到是可以使用。
三、实现数组列表
在 Java 的源码中，数组是一个非常常用的数据结构，很多其他数据结构也都有数组的影子。在一些数据存放和使用的场景中，基本也都是使用 ArrayList 而不是 LinkedList，具体性能分析参考：LinkedList插入速度比ArrayList快？你确定吗？
那么本章节我们就借着数组结构的学习，实现一个简单的 ArrayList，让使用 Java 的读者既能了解学习数据结构，也能了解到 Java 源码实现。
- 源码地址：https://github.com/fuzhengwei/java-algorithms -Java 算法与数据结构
- 本章源码：https://github.com/fuzhengwei/java-algorithms/blob/main/data-structures/src/main/java/cn/bugstack/algorithms/data/array/ArrayList.java
1. 基本设计
数组是一个固定的、连续的、线性的数据结构，那么想把它作为一个自动扩展容量的数组列表，则需要做一些扩展。
/**
* 默认初始化空间
*/
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
/**
* 空元素
*/
private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};
/**
* ArrayList 元素数组缓存区
*/
transient Object[] elementData;
初始化 ArrayList 阶段，如果不指定大小，默认会初始化一个空的元素。这个时候是没有默认长度的。
那么什么时候给初始化的长度呢？是在首次添加元素的时候，因为所有的添加元素操作，也都是需要判断容量，以及是否扩容的。那么在 add 添加元素时统一完成这个事情，还是比较好处理的。
之后就是随着元素的添加，容量是会不足的。当容量不足的是，需要进行扩容操作。同时还得需要把旧数据迁移到新的数组上。所以数据的迁移算是一个比较耗时的操作
2. 添加元素
public boolean add(E e) {
// 确保内部容量
int minCapacity = size + 1;
if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
}
// 判断扩容操作
if (minCapacity - elementData.length > 0) {
int oldCapacity = elementData.length;
int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
if (newCapacity - minCapacity < 0) {
newCapacity = minCapacity;
}
elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
}
// 添加元素
elementData[size++] = e;
return true;
}
这是一份简化后的 ArrayList#add 操作
判断当前容量与初始化容量，使用 Math.max 函数取最大值最为最小初始化空间。
接下来是判断 minCapacity 和元素的数量，是否达到了扩容。首次创建 ArrayList 是一定会扩容的，也就是初始化 DEFAULT_CAPACITY = 10 的容量。
Arrays.copyOf 实际上是创建一个新的空间数组，之后调用的 System.arraycopy 迁移到新创建的数组上。这样后续所有的扩容操作，也就都保持统一了。
ArrayList 扩容完成后，就是使用 elementData[size++] = e; 添加元素操作了。
3. 移除元素
ArrayList 的重点离不开对 System.arraycopy 的使用，它是一个本地方法，可以让你从原数组的特定位置，迁移到新数组的指定位置和迁移数量。如图 2-5 所示，数据迁移 测试代码在 java-algorithms
删除元素
public E remove(int index) {
E oldValue = (E) elementData[index];
int numMoved = size - index - 1;
if (numMoved > 0) {
// 从原始数组的某个位置，拷贝到目标对象的某个位置开始后n个元素
System.arraycopy(elementData, index + 1, elementData, index, numMoved);
}
elementData[--size] = null; // clear to let GC do its work
return oldValue;
}
ArrayList 的元素删除，就是在确定出元素位置后，使用 System.arraycopy 拷贝数据方式移动数据，把需要删除的元素位置覆盖掉。
此外它还会把已经删除的元素设置为 null 一方面让我们不会在读取到这个元素，另外一方面也是为了 GC
4. 获取元素
public E get(int index) {
return (E) elementData[index];
}
@Override
public String toString() {
return "ArrayList{" +
"elementData=" + Arrays.toString(elementData) +
", size=" + size +
'}';
}获取元素就比较简单了，直接从 elementData 使用索引直接获取即可。这个是一个 O(1) 操作。也正因为搜索元素的便捷性，才让 ArrayList 使用的那么广泛。同时为了兼容可以通过元素来获取数据，而不是直接通过下标，引出了 HashMap 使用哈希值计算下标的计算方式，也引出了斐波那契散列。它们的设计都是在尽可能减少元素碰撞的情况下，尽可能使用贴近 O(1) 的时间复杂度获取数据。这些内容的学习可以阅读小傅哥的《Java面经手册》也可以随着本系列章节内容的铺设逐步覆盖到算法后进行学习
四、数组列表测试
@Test
public void test_array_list() {
cn.bugstack.algorithms.data.array.List<String> list = new ArrayList<>();
list.add("01");
list.add("02");
list.add("03");
list.add("04");
list.add("05");
list.add("06");
list.add("07");
list.add("08");
list.add("09");
list.add("10");
list.add("11");
list.add("12");
System.out.println(list);
list.remove(9);
System.out.println(list);
}
测试结果
ArrayList{elementData=[01, 02, 03, 04, 05, 06, 07, 08, 09, 10, 11, 12, null, null, null], size=12}
ArrayList{elementData=[01, 02, 03, 04, 05, 06, 07, 08, 09, 11, 12, null, null, null, null], size=11}
Process finished with exit code 0
测试案例中包括了在我们自己实现的 ArrayList 中顺序添加元素，逐步测试扩容迁移元素，以及删除元素后数据的迁移。
最终的测试结果可以看到，一共有12个元素，其中idx=9的元素被删除前后，元素的迁移变化。
