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Java 关于数组时间复杂度的问题“；“调整大小”；在爪哇

java arrays memory time-complexity

Java 关于数组时间复杂度的问题“；“调整大小”；在爪哇,java,arrays,memory,time-complexity,Java,Arrays,Memory,Time Complexity,注意：正如标题已经暗示的，这个问题不是关于基于数组的列表的特定java.util.ArrayList实现，而是关于原始数组本身，以及它们在“纯”（即完全未优化的）基于数组的列表实现中的行为。我之所以选择提及java.util.ArrayList，是因为它是java中最突出的基于数组的列表示例，尽管它在技术上并不“纯粹”，因为它利用预分配来减少add（）的操作时间。如果您想知道为什么我问这个特定的问题而对java.util.ArrayList（）preallocation优化不感兴趣，我在下面添加

注意：正如标题已经暗示的，这个问题不是关于基于数组的列表的特定
java.util.ArrayList
实现，而是关于原始数组本身，以及它们在“纯”（即完全未优化的）基于数组的列表实现中的行为。我之所以选择提及
java.util.ArrayList
，是因为它是java中最突出的基于数组的列表示例，尽管它在技术上并不“纯粹”，因为它利用预分配来减少
add（）
的操作时间。如果您想知道为什么我问这个特定的问题而对
java.util.ArrayList（）
preallocation优化不感兴趣，我在下面添加了一点对我的用例的解释

众所周知，您可以访问基于数组的列表中的元素（如Java的
ArrayList
），时间复杂度为
O（1）
，而向该列表中添加元素需要
O（n）
。对于链表，情况正好相反（对于双链表，您可以将访问优化到执行时间的一半）

将元素添加到基于数组的列表需要
O（n）
的原因是数组不能简单地调整大小，必须重新分配和填充。最简单的方法是：

String arr[] = new String[n];
//...
String newElem = "foo";
String[] newArr = new String[n + 1];
int i = 0;
for (String elem : arr) {
    newArr[i] = arr[i++];
}
newArr[i] = newElem;
arr = newArr;
由于for循环，时间复杂度
O（n）
清晰可见。但是在Java中还有其他复制数组的方法，例如
System.arraycopy（）

按照常规的for循环解决方案，即使缩小数组也需要
O（n）
，因为数组的大小是固定的，为了“缩小”它，您必须将要保留的所有元素复制到一个新的更小的数组中

下面是我关于这些数组操作及其时间复杂性的问题：

  • 虽然vanilla for循环总是需要
    O（n）
    ，但是如果内存中有足够的空间来展开数组，那么
    System.arraycopy（）
    是否可以优化“add”操作，这意味着它会将原始数组保留在原来的位置，只在其末尾添加新元素

  • 由于收缩操作在理论上总是可以使用
    O（1）
    执行，因此
    System.arraycopy（）
    是否总是将此操作优化为
    O（1）

  • 如果
    System.arraycopy（）
    无法使用这些优化，那么Java中是否有其他方法可以实际使用这些理论上可行的优化，或者无论在何种情况下，数组“调整大小”总是需要
    O（n）

    • TL；DR是否存在Java中数组“调整大小”所需的时间小于
    O（n）
    的情况

    其他信息：

    我使用的是openJDK11（最新版本），但是如果答案是依赖于JVM的，那么我想知道与之相比，其他JVM的表现如何

    为了好奇的人 谁想知道我想对这些信息做什么：

    我正在研究一个新的
    java.util.List
    实现，即一个混合列表，它可以将数据存储在数组和链接缓冲区中。在某些情况下，缓冲区将被刷新到数组中，这当然需要调整现有数组的大小。但是除了这个想法之外，我还想在阵列部分使用尽可能多的其他优化。为了避免数组通常的大小调整，我尝试了让数组保持恒定大小的想法，但是用一些其他字段来管理它的“有效”范围。这意味着，如果要弹出数组的最后一个元素，它不会缩小数组，而是缩小有效元素的范围。然后，在数组部分插入新元素时，可以使用以前的无效部分将值转移到中，基本上重用了现在已删除的元素以前使用的空间。如果插入操作超过了实际数组大小，元素仍然可以传输到链接缓冲区以避免调整大小。为了进一步优化这一点，我选择在删除某些元素时使用数组的中间部分作为轴心。现在，有效范围可能不再从数组的开头开始。基本上，这意味着如果删除轴左侧的元素，则有效范围起点和删除元素之间的所有元素都将移向轴右侧。移除枢轴右侧的图元会相应地起作用。因此，经过一些删除后，阵列可能会如下所示：

    [null null|elem0 elem1 elem2||elem3 elem4 elem5|null null null]
    （其中开始和结束处的|标记有效范围，|标记轴）

    那么，这与我的问题有什么关系呢

    所有这些优化都建立在阵列大小调整在时间上非常昂贵的说法之上，即
    O（n）
    。因此，尽可能避免调整阵列大小。这些优化听起来很整洁，但实现它们的代码可能会变得非常混乱，尤其是在实现批处理操作时（
    addAll（）
    ，
    removeAll（）
    ，
    retainal（）
    ）。因此，如果事实证明数组大小调整操作本身在某些情况下（特别是收缩）的成本较低，我将减少许多优化，这些优化随后变得无用，从而使代码在过程中变得更容易

    因此，在坚持我的优化想法和实验之前，我想知道是否需要它们。

    这些问题似乎非常特定于JVM供应商。至少可以说Javadoc（甚至在SE 14中）没有提到这一点。感谢这些信息，我正在使用openjdk 11，但我会将这些信息添加到我的问题
    系统中。arraycopy使原始数组保持工作状态，因此无法在O（1）中实现除非使用奇怪的内存映射技术，否则肯定会产生意外的性能结果