第二章动态数组

原创

wx631a9eff87243 2022-09-09 10:36:40 博主文章分类：恋上数据结构与算法第一季 ©著作权

文章标签 链表数据结构算法数组 leetcode 文章分类 后端开发

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第二章动态数组

什么是数据结构？

数据结构是计算机存储、组织数据的方式
数据结构是指相互之间存在一种或多种特定关系的数据元素的集合
在实际应用中，根据使用场景来选择最合适的数据结构

第二章动态数组_leetcode

线性表

线性表是具有 n 个相同类型元素的有限序列（ n ≥ 0 ）

第二章动态数组_数组_02

a1 是首节点（首元素）， an 是尾结点（尾元素）
a1 是 a2 的前驱节点， a2 是 a1 的后继节点
常见的线性表有：

数组
链表
栈
队列
哈希表（散列表）

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是连续的

第二章动态数组_链表_03

在很多编程语言中，数组都有个致命的缺点：

无法动态修改容量

在实际开发中，我们更希望数组的容量是可以动态改变的

动态数组（Dynamic Array）

动态数组接口设计

int size(); // 元素的数量
boolean isEmpty(); // 是否为空
boolean contains (E element); // 是否包含某个元素
void add (E element); // 添加元素到尾部
E get (int index); // 获取index位置的元素
E set (int index, E element); // 设置index位置的元素
void add (int index, E element); // *在index位置插入一个元素*E remove (int index); // 删除index位置对应的元素
int indexOf (E element); // 查看元素的索引
void clear (); // 清除所有元素

数组的默认形态

第二章动态数组_leetcode_04

添加元素 - add(E element)

add(E element)：默认往数组最后添加元素

第二章动态数组_数据结构_05

/**
 * 添加元素到尾部
 *
 * @param element
 */
public void add(int element) {
    elements[size++] = element;
}

删除元素 - remove(int index)

第二章动态数组_leetcode_06

第二章动态数组_算法_07

/**
 * 删除index位置的元素
 *
 * @param index
 * @return 返回删掉的元素
 */
public int remove(int index) {
    if (index < 0 || index >= size) {
        throw new IndexOutOfBoundsException("Index：" + index + ", Size：" + size);
    }
    int old = elements[index];
    for (int i = index + 1; i <= size - 1; i++) {
        elements[i - 1] = elements[i];
    }
    size--;
    return old;
}

思考：最后一个元素如何处理？

如果存放int 类型，size-- 后，最后一个元素已经无法访问了
如果使用泛型，数组要注意内存管理（将元素置为null）
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

添加元素 - add(int index,E element)

add(int index, E element)：在 index 位置插入一个元素

比如要往 index = 2 的地方添加元素：

正确的顺序应当是：从后往前开始将 index = 2 以后的元素依次后移，然后赋值：

第二章动态数组_链表_08

如果从前往后开始移动元素，会造成如下错误的后果：

第二章动态数组_leetcode_09

第二章动态数组_数据结构_10

/**
 * 在index位置插入一个元素
 *
 * @param index
 * @param element
 */
public void add(int index, int element) {
    //注意这个地方的index > size
    if (index < 0 || index > size) {
        throw new IndexOutOfBoundsException("Index：" + index + ", Size：" + size);
    }
    for (int i = size - 1; i >= index; i--) {
        elements[i + 1] = elements[i];
    }
    elements[index] = element;
    size++;
}

如何扩容？- ensureCapacity(int capacity)

暴力方法：直接申请一块更大的内存

第二章动态数组_数组_11

/**
 * 扩容
 */
private void ensureCapacity(int capacity) {
    int oldCapacity = elements.length;
    if (oldCapacity >= capacity) {
        return;
    }
    //扩容到原来容量的1.5倍
    int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
    int[] newElements = new int[newCapacity];
    for (int i = 0; i < size; i++) {
        newElements[i] = elements[i];
    }
    elements = newElements;
}

清空数组 - clear( )

/**
 * 清除所有元素
 */
public void clear() {
    for (int i = 0; i < size; i++) {
        elements[i] = null;
    }
    size = 0;
}

int型动态数组完整代码

/**
 * @author xiexu
 * @create 2021-07-21 9:36 上午
 */
public class IntArrayList {
    private int size; //元素的数量
    private int[] elements; //所有的元素

    private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10; //默认容量
    private static final int ELEMENT_NOT_FOUND = -1;

    public IntArrayList(int capaticy) {
        //小于默认容量的一律按默认容量处理
        capaticy = (capaticy <= DEFAULT_CAPACITY) ? DEFAULT_CAPACITY : capaticy;
        elements = new int[capaticy];
    }

    public IntArrayList() {
        //默认是10个容量
        this(DEFAULT_CAPACITY);
    }

    /**
     * 清除所有元素
     */
    public void clear() {
        size = 0;
    }

    /**
     * 元素的数量
     *
     * @return
     */
    public int size() {
        return size;
    }

    /**
     * 是否为空
     *
     * @return
     */
    public boolean isEmpty() {
        return size == 0;
    }

    /**
     * 是否包含某个元素
     *
     * @return
     */
    public boolean contains(int element) {
        return indexOf(element) != ELEMENT_NOT_FOUND;
    }

    /**
     * 获取index位置的元素
     *
     * @param index
     * @return
     */
    public int get(int index) {
        rangeCheck(index);
        return elements[index];
    }

    /**
     * 设置index位置的元素
     *
     * @param index
     * @param element
     * @return 原来的元素
     */
    public int set(int index, int element) {
        rangeCheck(index);
        int old = elements[index];
        elements[index] = element;
        return old;
    }

    /**
     * 添加元素到尾部
     *
     * @param element
     */
    public void add(int element) {
        add(size, element);
    }

    /**
     * 在index位置插入一个元素
     *
     * @param index
     * @param element
     */
    public void add(int index, int element) {
        rangeCheckForAdd(index);
        //扩容
        ensureCapacity(size + 1);
        for (int i = size - 1; i >= index; i--) {
            elements[i + 1] = elements[i];
        }
        elements[index] = element;
        size++;
    }

    /**
     * 删除index位置的元素
     *
     * @param index
     * @return 返回删掉的元素
     */
    public int remove(int index) {
        rangeCheck(index);
        int old = elements[index];
        for (int i = index + 1; i <= size - 1; i++) {
            elements[i - 1] = elements[i];
        }
        size--;
        return old;
    }

    /**
     * 查看元素的索引
     *
     * @param element
     * @return
     */
    public int indexOf(int element) {
        for (int i = 0; i < size; i++) {
            if (elements[i] == element) {
                return i;
            }
        }
        return ELEMENT_NOT_FOUND; //找不到就返回-1
    }

    //抛出异常
    private void outOfBounds(int index) {
        throw new IndexOutOfBoundsException("Index：" + index + ", Size：" + size);
    }

    /**
     * 检查范围
     *
     * @param index
     */
    private void rangeCheck(int index) {
        if (index < 0 || index >= size) {
            outOfBounds(index);
        }
    }

    /**
     * 检查添加到指定位置元素的范围
     *
     * @param index
     */
    private void rangeCheckForAdd(int index) {
        if (index < 0 || index > size) {
            outOfBounds(index);
        }
    }

    /**
     * 扩容
     */
    private void ensureCapacity(int capacity) {
        int oldCapacity = elements.length;
        if (oldCapacity >= capacity) {
            return;
        }
        //扩容到原来容量的1.5倍
        int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
        int[] newElements = new int[newCapacity];
        for (int i = 0; i < size; i++) {
            newElements[i] = elements[i];
        }
        elements = newElements;
        System.out.println(oldCapacity + "扩容为：" + newCapacity);
    }

    /**
     * 打印数组
     *
     * @return
     */
    @Override
    public String toString() {
        //size = 3, [99,88,77]
        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();
    }
}

对象数组

第二章动态数组_leetcode_12

泛型动态数组完整代码

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

/**
 * @author xiexu
 * @create 2021-07-12 5:11 下午
 */
public class ArrayList<E> {

    private int size; //元素的数量
    private E[] elements; //所有的元素

    private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10; //默认容量
    private static final int ELEMENT_NOT_FOUND = -1;

    public ArrayList(int capaticy) {
        //小于默认容量的一律按默认容量处理
        capaticy = (capaticy < DEFAULT_CAPACITY) ? DEFAULT_CAPACITY : capaticy;
        elements = (E[]) new Object[capaticy];
    }

    public ArrayList() {
        //默认是10个容量
        this(DEFAULT_CAPACITY);
    }

    /**
     * 清除所有元素
     */
    public void clear() {
        for (int i = 0; i < size; i++) {
            elements[i] = null;
        }
        size = 0;
    }

    /**
     * 元素的数量
     *
     * @return
     */
    public int size() {
        return size;
    }

    /**
     * 是否为空
     *
     * @return
     */
    public boolean isEmpty() {
        return size == 0;
    }

    /**
     * 是否包含某个元素
     *
     * @return
     */
    public boolean contains(E element) {
        return indexOf(element) != ELEMENT_NOT_FOUND;
    }

    /**
     * 获取index位置的元素
     *
     * @param index
     * @return
     */
    public E get(int index) {
        rangeCheck(index);
        return elements[index];
    }

    /**
     * 设置index位置的元素
     *
     * @param index
     * @param element
     * @return 原来的元素
     */
    public E set(int index, E element) {
        rangeCheck(index);
        E old = elements[index];
        elements[index] = element;
        return old;
    }

    /**
     * 添加元素到尾部
     *
     * @param element
     */
    public void add(E element) {
        add(size, element);
    }

    /**
     * 在index位置插入一个元素
     *
     * @param index
     * @param element
     */
    public void add(int index, E element) {
        rangeCheckForAdd(index);
        //扩容
        ensureCapacity(size + 1);
        for (int i = size; i > index; i--) {
            elements[i + 1] = elements[i];
        }
        elements[index] = element;
        size++;
    }

    /**
     * 删除index位置的元素
     *
     * @param index
     * @return 返回删掉的元素
     */
    public E remove(int index) {
        rangeCheck(index);
        E old = elements[index];
        for (int i = index + 1; i < size; i++) {
            elements[i - 1] = elements[i];
        }
        elements[--size] = null;
        return old;
    }

    /**
     * 查看元素的索引
     *
     * @param element
     * @return
     */
    public int indexOf(E element) {
        //null值的判断
        if (element == null) { //如果当前元素是null
            for (int i = 0; i < size; i++) {
                if (elements[i] == null) {
                    return i;
                }
            }
        } else { //如果当前元素不是null
            for (int i = 0; i < size; i++) {
                if (element.equals(elements[i])) {
                    return i;
                }
            }
        }
        return ELEMENT_NOT_FOUND; //找不到就返回-1
    }

    //抛出异常
    private void outOfBounds(int index) {
        throw new IndexOutOfBoundsException("Index：" + index + ", Size：" + size);
    }

    /**
     * 检查范围
     *
     * @param index
     */
    private void rangeCheck(int index) {
        if (index < 0 || index >= size) {
            outOfBounds(index);
        }
    }

    /**
     * 检查添加到指定位置元素的范围
     *
     * @param index
     */
    private void rangeCheckForAdd(int index) {
        if (index < 0 || index > size) {
            outOfBounds(index);
        }
    }

    /**
     * 扩容
     */
    private void ensureCapacity(int capacity) {
        int oldCapacity = elements.length;
        if (oldCapacity >= capacity) {
            return;
        }
        //扩容到原来容量的1.5倍
        int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
        E[] newElements = (E[]) new Object[newCapacity];
        for (int i = 0; i < size; i++) {
            newElements[i] = elements[i];
        }
        elements = newElements;
        System.out.println(oldCapacity + "扩容为：" + newCapacity);
    }

    /**
     * 打印数组
     *
     * @return
     */
    @Override
    public String toString() {
        //size = 3, [99,88,77]
        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();
    }
}

Person类

/**
 * @author xiexu
 * @create 2021-07-12 9:42 下午
 */
public class Person {

    private int age;
    private String name;

    public Person(int age, String name) {
        this.age = age;
        this.name = name;
    }

    public int getAge() {
        return age;
    }

    public void setAge(int age) {
        this.age = age;
    }

    public String getName() {
        return name;
    }

    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "Person{" +
                "age=" + age +
                ", name='" + name + '\'' +
                '}';
    }

    @Override
    public boolean equals(Object obj) {
        if (obj == null) {
            return false;
        }
        if (obj instanceof Person) {
            Person person = (Person) obj;
            return this.age == person.age;
        }
        return false;
    }

}

null值的处理

/**
 * 查看元素的索引
 *
 * @param element
 * @return
 */
public int indexOf(E element) {
    //null值的判断
    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; //找不到就返回-1
}

动态缩容操作的动态数组完整代码

/**
 * 有动态缩容操作
 *
 * @author xiexu
 * @create 2021-07-12 5:11 下午
 */
public class ArrayList2<E> extends AbstractList<E> {

    private E[] elements; //所有的元素

    private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;

    public ArrayList2(int capaticy) {
        //小于默认容量的一律按默认容量处理
        capaticy = (capaticy < DEFAULT_CAPACITY) ? DEFAULT_CAPACITY : capaticy;
        elements = (E[]) new Object[capaticy];
    }

    public ArrayList2() {
        //默认是10个容量
        this(DEFAULT_CAPACITY);
    }

    /**
     * 清除所有元素
     */
    public void clear() {
        for (int i = 0; i < size; i++) {
            elements[i] = null;
        }
        size = 0;
        if (elements != null && elements.length > DEFAULT_CAPACITY) {
            elements = (E[]) new Object[DEFAULT_CAPACITY];
        }
    }

    /**
     * 元素的数量
     *
     * @return
     */
    public int size() {
        return size;
    }

    /**
     * 是否为空
     *
     * @return
     */
    public boolean isEmpty() {
        return size == 0;
    }

    /**
     * 是否包含某个元素
     *
     * @return
     */
    public boolean contains(E element) {
        return indexOf(element) != ELEMENT_NOT_FOUND;
    }

    /**
     * 获取index位置的元素
     *
     * @param index
     * @return
     */
    public E get(int index) { // O(1)
        rangeCheck(index);
        // index * 4 + 数组的首地址
        return elements[index];
    }

    /**
     * 设置index位置的元素
     *
     * @param index
     * @param element
     * @return 原来的元素
     */
    public E set(int index, E element) { // O(1)
        rangeCheck(index);
        E old = elements[index];
        elements[index] = element;
        return old;
    }

    /**
     * 添加元素到尾部
     *
     * @param element
     */
    public void add(E element) { //O(1)
        add(size, element);
    }

    /**
     * 在index位置插入一个元素
     *
     * @param index
     * @param element
     */
    public void add(int index, E element) {
        /**
         * 最好：O(1)
         * 最坏：O(n)
         * 平均：O(n)
         */
        rangeCheckForAdd(index);
        //扩容
        ensureCapacity(size + 1);
        for (int i = size; i > index; i--) {
            elements[i] = elements[i - 1];
        }
        elements[index] = element;
        size++;
    }

    /**
     * 删除index位置的元素
     *
     * @param index
     * @return 返回删掉的元素
     */
    public E remove(int index) {
        /**
         * 最好：O(1)
         * 最坏：O(n)
         * 平均：O(n)
         */
        rangeCheck(index);
        E old = elements[index];
        for (int i = index + 1; i < size; i++) {
            elements[i - 1] = elements[i];
        }
        elements[--size] = null;
        trim();
        return old;
    }

    /**
     * 查看元素的索引
     *
     * @param element
     * @return
     */
    public int indexOf(E element) {
        //null值的判断
        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; //找不到就返回-1
    }

    /**
     * 扩容
     */
    private void ensureCapacity(int capacity) {
        int oldCapacity = elements.length;
        if (oldCapacity >= capacity) {
            return;
        }
        //扩容到原来容量的1.5倍
        int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
        E[] newElements = (E[]) new Object[newCapacity];
        for (int i = 0; i < size; i++) {
            newElements[i] = elements[i];
        }
        elements = newElements;
        System.out.println(oldCapacity + "扩容为：" + newCapacity);
    }

    /**
     * 缩容
     */
    private void trim() {
        int oldCapacity = elements.length;
        int newCapacity = oldCapacity >> 1;
        if (size >= (newCapacity) || oldCapacity <= DEFAULT_CAPACITY) {
            return;
        }
        //剩余空间还有很多
        E[] newElements = (E[]) new Object[newCapacity];
        for (int i = 0; i < size; i++) {
            newElements[i] = elements[i];
        }
        elements = newElements;

        System.out.println(oldCapacity + "缩容为：" + newCapacity);
    }

    /**
     * 打印数组
     *
     * @return
     */
    @Override
    public String toString() {
        //size = 3, [99,88,77]
        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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什么是数据结构？

线性表

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添加元素 - add(E element)

删除元素 - remove(int index)

添加元素 - add(int index,E element)

如何扩容？- ensureCapacity(int capacity)

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