小码哥数据结构与算法(一): 动态数组

伯文丶
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本篇是恋上数据结构与算法（第一季）的学习笔记, 使用JAVA语言

一、数组(Array)

  • 数组是一种顺序存储的线性表,所有元素的内存地址都是连续的
int[] array = new int[]{11, 22, 33}

在很多编程语言中, 数组有个致命的缺点, 无法动态修改容量
实际开发中我们希望数组的容量是动态变化的

二、动态数组

  • 可以通过数组实现一个动态数组, 动态数组的容量是动态变化的
  • 可以对动态数组进行增删改查操作
// 元素的数量
int size(); 
// 是否为空
boolean isEmpty();
// 是否包含某个元素
boolean contains(E element); 
// 添加元素到最后面
void add(E element); 
// 返回index位置对应的元素
E get(int index); 
// 设置index位置的元素
E set(int index, E element); 
// 往index位置添加元素
void add(int index, E element); 
// 删除index位置对应的元素 
E remove(int index); 
// 查看元素的位置
int indexOf(E element); 
// 清除所有元素
void clear();

三、动态数组的设计

  • 创建类ArrayList 如下图, 创建size属性来管理数组中元素的个数, 创建elements属性来管理存取的数据

public class ArrayList<E> {
	private int size;
	private E[] elements;
}
  • 添加初始化方法, 创建elements数组, 并指定elements默认的容量
public class ArrayList<E> {
	private int size;
	private E[] elements;
	// 设置elements数组默认的初始化空间
	private static final int CAPACITY_DEFAULT = 10;
	public ArrayList(int capacity) {
		capacity = capacity < CAPACITY_DEFAULT ? CAPACITY_DEFAULT : capacity;
		elements = (E[]) new Object[capacity];
	}
	// 默认情况
	public ArrayList() {
		this(CAPACITY_DEFAULT);
	}
}

四、动态数组的实现

1、添加元素

  • 我们知道, 每当数组添加新元素时, 都会在数组最后一个元素的后面添加新元素
  • 这个新元素需要添加到的索引等于当前数组元素的个数, 在ArrayList中size属性就是当前数组元素的个数, 所以就是将新元素添加到数组的size位置上, 然后size加1

public void add(E element) {
	elements[size] = element;
	size++;
}

2、数组扩容

  • 由于数组elements最大的容量只有10, 所以当数组存满元素时, 就需要对数组进行扩容
  • 因为数组是无法动态扩容的, 所以需要创建一个新的数组,这个数组的容量要比之前数组的容量大
  • 然后在将原数组中的元素存放到新数组中, 这样就实现了数组的扩容

private void ensureCapacity() {
	// 获取数组当前容量
	int oldCapacity = elements.length;
	// 如果 当前存储的元素个数 < 当前数组容量, 直接返回
	if (size < oldCapacity) return;
	// 新数组的容量为原数组容量的1.5倍
	int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
	// 创建新数组
	E[] newElements = (E[]) new Object[newCapacity];
	// 原数组中的元素存储到新数组中
	for (int i = 0; i < size; i++) {
		newElements[i] = elements[i];
	}
	// 引用新数组
	elements = newElements;
}
  • 此时, add方法的实现如下, 在添加新元素之前, 先判断是否需要扩容
public void add(E element) {
    // 添加新元素之前, 先判断是否需要扩容
	ensureCapacity();
	elements[size] = element;
	size++;
}

3、删除元素

  • 删除元素, 实际上就是去掉指定位置的元素, 并将后面的元素向前移动
  • 如下图, 当删除索引为3的元素时, 只需要将后面的元素向前移动, 然后在去掉最后一个元素, size减1即可

public E remove(int index) {
	// 取出需要删除的元素
	E element = elements[index];
	// 通过循环, 将index后面的所有元素向前移动一位
	for (int i = index; i < size - 1; i++) {
		elements[i] = elements[i + 1];
	}
	// 删除最后一个元素
	elements[--size] = null;
	// 将删除的元素返回
	return element;
}
  • 注意: 删除元素时传入的索引不能越界, 即不能小于0, 也不能大于等于size
  • 所以我们在删除元素之前需要先进行索引检查
private void rangeCheck(int index) {
	if (index < 0 || index >= size) {
		throw new IndexOutOfBoundsException("Index:" + index + ", Size:" + size);
	}
}
  • 此时, remove方法实现如下
public E remove(int index) {
	// 判断索引是否越界
	rangeCheck(index);
	// 取出需要删除的元素
	E element = elements[index];
	// 通过循环, 将index后面的所有元素向前移动一位
	for (int i = index; i < size - 1; i++) {
		elements[i] = elements[i + 1];
	}
	// 删除最后一个元素
	elements[--size] = null;
	// 将删除的元素返回
	return element;
}

4、数组缩容

  • 当数组中的元素删除后, 数组剩余的空间可能会很大, 这样就会造成内存的浪费
  • 所以当数组中元素删除后, 我们需要对数组进行缩容
  • 实现方法类似于扩容, 当数组中容量小于某个值时, 创建新的数组, 然后将原有数组中的元素存入新数组即可
public void trim() {
	// 获取当前数组的容量
	int capacity = elements.length;
	// 当size大于等于容量的一半, 或则容量已经小于默认容量(10)时, 直接返回
	if (size >= capacity >> 1 || capacity < CAPACITY_DEFAULT) return;
	// 计算新的容量 = 原有容量的一半
	int newCapacity = capacity >> 1;
	// 创建新数组
	E[] newElements = (E[]) new Object[newCapacity];
	// 将原数组元素存入新数组
	for (int i = 0; i < size; i++) {
		newElements[i] = elements[i];
	}
	// 引用新数组
	elements = newElements;
}
  • 每次删除元素后, 判断是否需要缩容
public E remove(int index) {
	// 判断索引是否越界
	rangeCheck(index);
	// 取出需要删除的元素
	E element = elements[index];
	// 通过循环, 将index后面的所有元素向前移动一位
	for (int i = index; i < size - 1; i++) {
		elements[i] = elements[i + 1];
	}
	// 删除最后一个元素
	elements[--size] = null;
	// 判断数组是否需要缩容
	trim();
	// 将删除的元素返回
	return element;
}

5、清空元素

  • 清空元素, 只需要将所有的元素置为null, 然后size置为0
public void clear() {
	// 清空存储的数据
	for (int i = 0; i < size; i++) {
		elements[i] = null;
	}
	// 将size置为0
	size = 0;
}

6、修改元素

  • 修改元素时, 只需要将原有位置的元素替换掉即可, 只是需要注意一下索引是否越界
public E set(int index, E element) {
	// 判断索引是否越界
	rangeCheck(index);
	// 取出被替换元素
	E oldElement = elements[index];
	// 替换元素
	elements[index] = element;
	// 返回被替换元素
	return oldElement;
}

7、 查询元素

  • 查询元素, 只需要将指定索引的元素返回, 注意索引是否越界即可
public E get(int index) {
	rangeCheck(index);
	return elements[index];
}

8、插入元素

  • 插入元素类似于删除元素, 只需要将插入位置后面的元素向后移动即可
  • 注意: 需要从后向前移动元素, 如果从前向后移动元素, 那么会进行元素覆盖, 最后出错

public void add(int index, E element) {
	// 从后向前的顺序, 将元素向后移动
	for (int i = size - 1; i >= index; i--) {
		elements[i + 1] = elements[i];
	}
	// 插入元素
	elements[index] = element;
	// size+1
	size++;
}
  • 需要注意的是, 插入元素的索引也不能越界, 不过不同于删除和设置元素时, 插入的位置可以是所有元素的最后, 即size的位置
public void rangeCheckForAdd(int index) {
	// 当索引小于0 或 大于 size时 抛出异常
	if (index < 0 || index > size) {
		throw new IndexOutOfBoundsException("Index:" + index + ", Size:" + size);
	}
}
  • 此时, add方法如下
public void add(int index, E element) {
	// 检查索引是否越界
	rangeCheckForAdd(index);
	// 从后向前的顺序, 将元素向后移动
	for (int i = size - 1; i >= index; i--) {
		elements[i + 1] = elements[i];
	}
	// 插入元素
	elements[index] = element;
	// size+1
	size++;
}

9、查看元素位置

  • 可以通过循环, 查找元素在数组中的位置
  • 注意: 数组中可以存储null, 而null是不能调用equals方法的, 所以需要对传入的元素进行判断, 如果查找的元素是null, 需要单独处理
  • 当元素存在时返回索引, 否则返回变量ELEMENT_ON_FOUND的值
private static final int ELEMENT_ON_FOUND = -1;
public int indexOf(E element) {
	if (element == null) {
		for (int i = 0; i < size; i++) {
			if (elements[i] == null) return i;
		}
	}else {
		for (int i = 0; i < size; i++) {
			if (element.equals(elements[i])) return i;
		}
	}
	return ELEMENT_ON_FOUND;
}

10、是否包含某个元素

  • 当元素存在时, 只需要判断索引是否等于ELEMENT_ON_FOUND即可
public boolean contains(E element) {
	// 查看元素的索引是否为ELEMENT_ON_FOUND即可
	return indexOf(element) != ELEMENT_ON_FOUND;
}

11、元素的数量

  • 数组元素的数量, 就是size的值
public int size() {
	return size;
}

12、数组是否为空

  • 判断size的值是否为0即可
public boolean isEmpty() {
	return size == 0;
}

13、动态数组打印

  • 可以重写toString方法, 来打印ArrayList中的元素
@Override
public String toString() {
	StringBuilder string = new StringBuilder();
	string.append("size = ").append(size).append(", [");
	for (int i = 0; i < size; i++) {
		if (i != 0) {
			string.append(",");
		}
		string.append(elements[i]);
	}
	string.append("]");
	return string.toString();
}
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