数据结构与算法动态数组

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mob64ca12ebf2cc 2024-11-05 08:03:08 ©著作权

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实现动态数组的指南

动态数组是一种能够在运行时调整大小的数组结构，常用在需要频繁插入、删除元素的场景下。本篇文章将指导你实现一个简单的动态数组，并提供具体的步骤及代码示例。

实现流程

以下表格展示了实现动态数组的主要步骤：

步骤	描述
1. 创建一个类	定义动态数组类，包括初始容量和元素数量
2. 初始化数组	根据初始容量创建一个数组
3. 添加元素	定义方法以添加新元素，处理容量不足的情况
4. 删除元素	定义方法以删除特定位置的元素
5. 扩容与缩容	定义方法处理数组扩容与缩容
6. 获取元素	定义方法以获取特定索引的元素
7. 输出数组	定义方法以输出当前数组的所有元素

每一步的具体实现

1. 创建类

我们首先定义一个名为 DynamicArray 的类：

class DynamicArray:
    def __init__(self):
        # 初始化数组和容量
        self._capacity = 2  # 初始容量
        self._size = 0      # 当前元素数量
        self._array = [None] * self._capacity  # 用None初始化数组

__init__ 方法初始化动态数组的基本属性：容量、现有元素数量，以及数组本身。

2. 添加元素

我们需要一个方法来添加新元素：

def append(self, value):
    # 如果当前元素数量达到容量，进行扩容
    if self._size >= self._capacity:
        self._resize(2 * self._capacity)  # 扩展为原来的两倍

    self._array[self._size] = value  # 在最后位置添加新元素
    self._size += 1  # 元素数量增加

当元素达到当前数组容量时，调用 _resize 方法扩容。

3. 删除元素

定义一个删除特定位置元素的方法：

def remove(self, index):
    if 0 <= index < self._size:  # 判断索引是否有效
        for i in range(index, self._size - 1):
            self._array[i] = self._array[i + 1]
        self._array[self._size - 1] = None  # 清除最后一个元素
        self._size -= 1  # 元素数量减小

该方法通过将后面的元素往前移动来删除元素。

4. 扩容与缩容

实现扩容和缩容的逻辑：

def _resize(self, new_capacity):
    new_array = [None] * new_capacity  # 创建新数组
    for i in range(self._size):
        new_array[i] = self._array[i]  # 复制当前元素到新数组
    self._array = new_array  # 更新引用
    self._capacity = new_capacity  # 更新容量

传入的 new_capacity 参数是新的数组容量。

5. 获取元素

获取特定位置的元素：

def get(self, index):
    if 0 <= index < self._size:  # 判断索引是否有效
        return self._array[index]  # 返回元素
    raise IndexError("Index out of bounds")  # 索引越界异常

6. 输出数组

输出当前数组的内容：

def __str__(self):
    return str([self._array[i] for i in range(self._size)])  # 格式化输出

类图

以下是 DynamicArray 类的类图，使用 Mermaid 语法：

classDiagram
class DynamicArray {
    - _capacity: int
    - _size: int
    - _array: List
    + __init__()
    + append(value)
    + remove(index)
    + get(index)
    + _resize(new_capacity)
    + __str__()
}