【恋上数据结构与算法】理论 二：动态数组

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文章目录

• 一、动态数组：Dynamic Array
• • 1.1 数组
  • • 1.1.1 泛型
    • 1.1.2 对象数组
  • 1.2 动态数组接口设计
  • 1.3 动态数组的实现
  • • 1.3.1 构造方法
    • 1.3.2 添加元素
    • • 1.3.2.1 第一种情况
      • 1.3.2.2 第二种情况
      • 1.3.2.3 数组越界
      • 1.3.2.4 数组扩容
    • 1.3.3 删除元素
    • • 1.3.3.1 数组越界
      • 1.3.3.2 数组缩容
    • 1.3.4 清空数组
    • 1.3.5 修改元素
    • 1.3.6 查询元素
    • 1.3.7 查看元素位置
    • 1.3.8 是否包含某元素
    • 1.3.9 元素的数量
    • 1.3.10 数组是否为空
    • 1.3.11 动态数组打印
  • 1.4 动态数组的复杂度
  • 1.5 ArrayList 能否进一步优化？
  • 1.6 完整代码
  • • 1.6.1 Main.java
    • 1.6.2 ArrayList.java
    • 1.6.3 Asserts.java 接口测试
    • 1.6.4 Person.java
    • 1.6.5 Car.java

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一、动态数组：Dynamic Array 1.1 数组

• 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}

• 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

1.1.1 泛型

• 使用泛型技术可以让动态数组更加通用，可以存放任何数据类型

1.1.2 对象数组

1.2 动态数组接口设计

• 创建 ArrayList 类，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
• 可以对动态数组进行 增删改查 操作

public class ArrayList {
    private int size;
    private E[] elements;

    // 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(); 
}

1.3 动态数组的实现 1.3.1 构造方法

• 如果构建的数组空间小于默认空间，则会以默认空间构建数组

public class ArrayList {
    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];
    }
	
    // 便利构造器
    public ArrayList() {
        this(CAPACITY_DEFAULT);
    }
}

1.3.2 添加元素

• 数组添加元素分为 在最后一个元素的后面添加新元素 和 将元素插入到某个位置（非最后面） 两种情况

1.3.2.1 第一种情况

• 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(int index, E element) {
    elements[index] = element;
    size++;
}

1.3.2.2 第二种情况

• 只需要将插入位置后面的元素 向后移动 即可
• 注意：元素移动顺序：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

1.3.2.3 数组越界

• 添加元素，还要注意传入的索引不能越界，即不能小于0, 也不能大于size

private void rangeCheckForAdd(int index) {
    if (index < 0 || index > size) {
        outOfBounds(index);
    }
}

1.3.2.4 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
• 然后再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，原来数组自动销毁（被垃圾回收）

//length： 容量（空间长度 / 个数），size：空间中元素的个数

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;
}

• 实现add函数，需要在添加新元素之前，判断数组越界和扩容

public void add(int index, E element) {
    //判断越界
    rangeCheckForAdd(index);
    //判断扩容	    	
    ensureCapacity(size + 1);
    	
    for (int i = size; i > index; i--) {
        elements[i] = elements[i - 1];
    }
    elements[index] = element;
    size++;
}

• 最终在最后一个元素的后面添加新元素，即添加元素到尾部的实现方式如下

public void add(E element) {
    add(size, element);
}

1.3.3 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

1.3.3.1 数组越界

• 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 outOfBounds(int index) {
    throw new IndexOutOfBoundsException("Index:" + index + ", Size:" + size);
}
	
private void rangeCheck(int index) {
    if (index < 0 || index >= size) {
        outOfBounds(index);
    }
}

1.3.3.2 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;
}

• 最终 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 old = 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 + 1; i < size; i++) {
        elements[i - 1] = elements[i];
    }
    // 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 old;
}

1.3.4 清空数组

• 清空数组时，需要将所有的元素置为 null ，只有这样才能真正的释放对象，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;
}

1.3.5 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，同样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;
}

1.3.6 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];
}

1.3.7 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：假如数组中可以存储 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_NOT_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_NOT_FOUND;
}

1.3.8 是否包含某元素

• 只需通过判断索引是否等于 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;
}

1.3.9 元素的数量

• size 的值，即为元素的数量

public int size() {
    return size;
}

1.3.10 数组是否为空

• 通过判断 size 的值是否为 0 即可

public boolean isEmpty() {
    return size == 0;
}

1.3.11 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();
}

1.4 动态数组的复杂度

1.5 ArrayList 能否进一步优化？

• 在ArrayList中，如果要删除索引 0 位置的元素，则需要将索引 0 之后的元素全部往前移一位
• 如果要在索引 0 位置添加元素，也需要将索引 0 及之后的元素全部往后移一位

• 在ArrayList中增加一个记录首元素位置的属性
• 删除索引 0 位置的元素，我们只需要将 first 属性改为 1
• 在索引 0 位置添加元素，则只需要将 first 属性改为0

• 如果继续往前插入元素，则将插入的元素存放在索引 8 这个位置，并将 first 改为8
• 当要获取索引 8 下一个元素时，对索引取 摩，则拿到索引 0 位置的元素
  
• 如果插入元素，则可选择挪动前半段数据或后半段数据
• 在索引 2 处插入元素 99 ，可以选择将元素 22 ， 33 左移，然后插入 99 即可
• 扩容 和 缩容 同样可以优化

1.6 完整代码 1.6.1 Main.java

package com.mj;


public class Main {

	public static void main(String[] args) {
		ArrayList