1.. 數(shù)組基礎(chǔ)

• 數(shù)組就是把數(shù)據(jù)碼成一排進行存放。
• Java中，數(shù)組的每個元素類型必須相同，可以都為int類型，string類型，甚至是自定義類型。
• 數(shù)組的命名要語義化，例如，如果數(shù)組用來存放學生的成績，那么命名為scores就比較合適。
• 索引（index）是數(shù)組中的一個重要概念，它是我們給數(shù)組中的每個元素分配的編號，從0開始，依次遞增。如果數(shù)組中存放了n個元素，第一個元素的索引是0，最后一個元素的索引是n-1。
• 通過索引，我們可以對數(shù)組中的元素進行快速訪問，例如，我們訪問索引為2的元素也就是數(shù)組中的第3個元素，就可以通過scores[2]這種形式。
• 在Java中聲明一個簡單的數(shù)組
• public class Main {public static void main(String[] args) {int[] arr = new int[10];for (int i = 0; i < arr.length; i++)arr[i] = i;} }

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• 聲明一個有初始值的數(shù)組
• public class Main {public static void main(String[] args) {int[] scores = new int[]{100, 99, 86};for (int i = 0; i < scores.length; i++)System.out.println(scores[i]);} }

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• for循環(huán)的另一種使用形式
• public class Main {public static void main(String[] args) {int[] scores = new int[]{100, 99, 86};for (int score : scores)System.out.println(score);} }

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• 修改數(shù)組中的元素
• socres[1] = 98;

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• 數(shù)組的索引可以是語義化的，也可以是非語義化的。
• 數(shù)組的最大優(yōu)點，就是可以通過索引對數(shù)據(jù)進行快速查詢，因此，我們傾向于使用語義化的索引，這樣我們就很清楚自己在查什么。
• 如果我們的應用場景中，索引沒有語義，那么使用其它數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可能是更好的選擇。
• 對于一些特殊應用場景，雖然使用了語義化索引，但依然不適合使用數(shù)組，例如，身份證號，我們不能使用身份證號來作為數(shù)組的索引，因為這個數(shù)字太大了，會導致巨大的空間浪費。
• 如果數(shù)組的索引是非語義化的，我們就需要考慮很多問題，例如，當數(shù)組的空間未被填滿時，如何表示空位處的元素？如何向數(shù)組中添加新的元素？如何刪除掉數(shù)組中原有的元素？等等。Java所提供的原生數(shù)組是無法解決這些問題的，我們需要定制屬于自己的數(shù)組類Array，即，基于Java的原生數(shù)組，二次封裝屬于我們自己的數(shù)組類。

2.. 實現(xiàn)自定義數(shù)組類Array所包含的基本方法：

• public class Array {private int[] data; //設置為private，不希望用戶從外部直接獲取這些信息，防止用戶篡改數(shù)據(jù)private int size;//構(gòu)造函數(shù)，傳入數(shù)組的容量capacity構(gòu)造Arraypublic Array(int capacity) {data = new int[capacity];size = 0;}//無參數(shù)構(gòu)造函數(shù)，默認數(shù)組容量capacity=10public Array() {this(10); //這里的capacity是IDE自動添加的提示信息，實際不存在 }//獲取數(shù)組中的元素個數(shù)public int getSize() {return size;}//獲取數(shù)組的容量public int getCapacity() {return data.length;}//判斷數(shù)組是否為空public boolean isEmpty() {return size == 0;} }

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3.. 實現(xiàn)向自定義數(shù)組中添加元素的方法

• 向數(shù)組中添加元素的最簡單的方法就是向數(shù)組的末尾添加元素
• //向數(shù)組末尾添加一個新元素 public void addLast(int e) {if (size == data.length) {throw new IllegalArgumentException("AddLast failed. Array is full.");}data[size] = e;size++; }

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• 向數(shù)組中指定索引位置插入一個元素
• //在index位置插入一個新元素e public void add(int index, int e) {if (size == data.length) {throw new IllegalArgumentException("Add failed. Array is full.");}if (index < 0 || index > size) {throw new IllegalArgumentException("Add failed. Require index >= 0 and index <= size");}for (int i = size - 1; i >= index; i--) {data[i + 1] = data[i];}data[index] = e;size++; }

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• 定義完向數(shù)組中指定索引位置插入一個元素的方法add之后，我們之前定義的向數(shù)組末尾插入元素的方法addLast其實可以調(diào)用add方法來實現(xiàn)，我們調(diào)整addLast方法如下：
• //向數(shù)組末尾添加一個新元素 public void addLast(int e) {add(size, e); }

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• 我們還可以調(diào)用add方法實現(xiàn)一個向數(shù)組開頭添加一個新元素的方法
• //向數(shù)組開頭添加一個新元素 public void addFirst(int e) {add(0, e); }

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4.. 實現(xiàn)在數(shù)組中查詢元素和修改元素的方法

• 實現(xiàn)自定義打印數(shù)組格式
• @Override public String toString() { //覆蓋父類的toString方法 StringBuilder res = new StringBuilder();res.append(String.format("Array: size=%d, capacity=%d\n", size, data.length));res.append('[');for (int i = 0; i < size; i++) {res.append(data[i]);if (i != size - 1) {res.append(", ");}}res.append(']');return res.toString(); }

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• 在main函數(shù)中進行測試：
• public class Main {public static void main(String[] args) {Array arr = new Array(20);for (int i = 0; i < 10; i++) {arr.addLast(i); //測試addLast方法 }System.out.println(arr);arr.add(1, 100); //測試add方法 System.out.println(arr);arr.addFirst(-1); //測試addFirst方法 System.out.println(arr);}}

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• 打印效果如下：
• Array: size=10, capacity=20 [0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9] Array: size=11, capacity=20 [0, 100, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9] Array: size=12, capacity=20 [-1, 0, 100, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9]

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• 實現(xiàn)獲取指定索引元素的方法
• //獲取index位置的元素 public int get(int index) {if (index < 0 || index >= size) {throw new IllegalArgumentException("Get failed. Index is illegal.");}return data[index]; }

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• 實現(xiàn)修改指定索引元素的方法
• //修改index位置的元素為e public void set(int index, int e) {if (index < 0 || index >= size) {throw new IllegalArgumentException("Set failed. Index is illegal.");}data[index] = e; }

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• 實現(xiàn)查看數(shù)組中是否包含元素e的方法
• //查找數(shù)組中是否存在元素e public boolean contains(int e) {for (int i = 0; i < size; i++) {if (data[i] == e) {return true;}}return false; }

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• 實現(xiàn)查看數(shù)組中指定元素的索引的方法，若找不到，返回-1
• //查看數(shù)組中元素e的索引，若找不到元素e，返回-1 public int find(int e){for(int i=0;i<size;i++){if(data[i] == e){return i;}}return -1; }

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• 實現(xiàn)刪除數(shù)組中指定索引的元素的方法
• //刪除掉index位置的元素，并且返回所刪除的元素 public int remove(int index) {if (index < 0 || index >= size) {throw new IllegalArgumentException("Add failed. Require index >= 0 and index < size");}int ret = data[index];for (int i = index + 1; i < size; i++) {data[i - 1] = data[i];}size--;return ret; }//刪除掉數(shù)組開頭的元素，并返回所刪除的元素 public int removeFirst() {return remove(0); }//刪除掉數(shù)組末尾的元素，并返回所刪除的元素 public int removeLast() {return remove(size - 1); }//如果數(shù)組中有元素e，那么將其刪除，否則什么也不做 public void removeElement(int e) {int index = find(e);if (index != -1) {remove(index);} }

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5.. 整理我們目前實現(xiàn)的業(yè)務邏輯：

• public class Array {private int[] data; //設置為private，不希望用戶從外部直接獲取這些信息，防止用戶篡改數(shù)據(jù)private int size;//構(gòu)造函數(shù)，傳入數(shù)組的容量capacity構(gòu)造Arraypublic Array(int capacity) {data = new int[capacity];size = 0;}//無參數(shù)構(gòu)造函數(shù)，默認數(shù)組容量capacity=10public Array() {this(10); //這里的capacity是IDE自動添加的提示信息，實際不存在 }//獲取數(shù)組中的元素個數(shù)public int getSize() {return size;}//獲取數(shù)組的容量public int getCapacity() {return data.length;}//判斷數(shù)組是否為空public boolean isEmpty() {return size == 0;}//向數(shù)組末尾添加一個新元素epublic void addLast(int e) {add(size, e);}//向數(shù)組開頭添加一個新元素epublic void addFirst(int e) {add(0, e);}//在index位置插入一個新元素epublic void add(int index, int e) {if (size == data.length) {throw new IllegalArgumentException("Add failed. Array is full.");}if (index < 0 || index > size) {throw new IllegalArgumentException("Add failed. Require index >= 0 and index <= size");}for (int i = size - 1; i >= index; i--) {data[i + 1] = data[i];}data[index] = e;size++;}//獲取index位置的元素public int get(int index) {if (index < 0 || index >= size) {throw new IllegalArgumentException("Get failed. Index is illegal.");}return data[index];}//修改index位置的元素為epublic void set(int index, int e) {if (index < 0 || index >= size) {throw new IllegalArgumentException("Set failed. Index is illegal.");}data[index] = e;}//查找數(shù)組中是否存在元素epublic boolean contains(int e) {for (int i = 0; i < size; i++) {if (data[i] == e) {return true;}}return false;}//查看數(shù)組中元素e的索引，若找不到元素e，返回-1public int find(int e) {for (int i = 0; i < size; i++) {if (data[i] == e) {return i;}}return -1;}//刪除掉index位置的元素，并且返回刪除的元素public int remove(int index) {if (index < 0 || index >= size) {throw new IllegalArgumentException("Remove failed. Index is illegal.");}int ret = data[index];for (int i = index + 1; i < size; i++) {data[i - 1] = data[i];}size--;return ret;}//刪除掉數(shù)組開頭的元素，并返回刪除的元素public int removeFirst() {return remove(0);}//刪除掉數(shù)組末尾的元素，并返回刪除的元素public int removeLast() {return remove(size - 1);}//如果數(shù)組中有元素e，那么將其刪除，否則什么也不做public void removeElement(int e) {int index = find(e);if (index != -1) {remove(index);}}@Overridepublic String toString() { //覆蓋父類的toString方法 StringBuilder res = new StringBuilder();res.append(String.format("Array: size=%d, capacity=%d\n", size, data.length));res.append('[');for (int i = 0; i < size; i++) {res.append(data[i]);if (i != size - 1) {res.append(", ");}}res.append(']');return res.toString();} }

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6.. 現(xiàn)在我們的自定義數(shù)組的元素只允許為int類型，我們需要進行優(yōu)化，讓數(shù)組可以放置"任意"類型的元素，解決這個問題的技術(shù)稱之為"泛型"。這里的"任意"加了引號，這是因為在Java中一個泛型類并不能放置任意數(shù)據(jù)類型的元素，泛型不能放置基本數(shù)據(jù)類型，只能放置類對象。在Java中，共有8中基本數(shù)據(jù)類型：int、short、long、boolean、byte、char、float、double。如果將數(shù)組設置成泛型數(shù)組，那么就無法放置這些基本數(shù)據(jù)類型了。為了解決這個問題，Java語言為每個基本數(shù)據(jù)類型都設計了一個包裝類，把本來不是類對象的數(shù)據(jù)包裝成了類對象。這8中基本數(shù)據(jù)類型所對應的包裝類分別為：Int、Short、Long、Boolean、Byte、Char、Float、Double，在需要的情況下，包裝類與其對應的基本數(shù)據(jù)類型可以自動進行轉(zhuǎn)換。

7.. 優(yōu)化后，Array類的業(yè)務邏輯如下：

• public class Array<E> {private E[] data; //設置為private，不希望用戶從外部直接獲取這些信息，防止用戶篡改數(shù)據(jù)private int size;//構(gòu)造函數(shù)，傳入數(shù)組的容量capacity構(gòu)造Arraypublic Array(int capacity) {data = (E[]) new Object[capacity];size = 0;}//無參數(shù)構(gòu)造函數(shù)，默認數(shù)組容量capacity=10public Array() {this(10); //這里的capacity是IDE自動添加的提示信息，實際不存在 }//獲取數(shù)組中的元素個數(shù)public int getSize() {return size;}//獲取數(shù)組的容量public int getCapacity() {return data.length;}//判斷數(shù)組是否為空public boolean isEmpty() {return size == 0;}//向數(shù)組末尾添加一個新元素epublic void addLast(E e) {add(size, e);}//向數(shù)組開頭添加一個新元素epublic void addFirst(E e) {add(0, e);}//在index位置插入一個新元素epublic void add(int index, E e) {if (size == data.length) {throw new IllegalArgumentException("Add failed. Array is full.");}if (index < 0 || index > size) {throw new IllegalArgumentException("Add failed. Require index >= 0 and index <= size");}for (int i = size - 1; i >= index; i--) {data[i + 1] = data[i];}data[index] = e;size++;}//獲取index位置的元素public E get(int index) {if (index < 0 || index >= size) {throw new IllegalArgumentException("Get failed. Index is illegal.");}return data[index];}//修改index位置的元素為epublic void set(int index, E e) {if (index < 0 || index >= size) {throw new IllegalArgumentException("Set failed. Index is illegal.");}data[index] = e;}//查找數(shù)組中是否存在元素epublic boolean contains(E e) {for (int i = 0; i < size; i++) {if (data[i].equals(e)) {return true;}}return false;}//查看數(shù)組中元素e的索引，若找不到元素e，返回-1public int find(E e) {for (int i = 0; i < size; i++) {if (data[i].equals(e)) {return i;}}return -1;}//刪除掉index位置的元素，并且返回刪除的元素public E remove(int index) {if (index < 0 || index >= size) {throw new IllegalArgumentException("Remove failed. Index is illegal.");}E ret = data[index];for (int i = index + 1; i < size; i++) {data[i - 1] = data[i];}size--; //data[size]會指向一個類對象，這部分空間不會被釋放loitering objectsdata[size] = null;return ret;}//刪除掉數(shù)組開頭的元素，并返回刪除的元素public E removeFirst() {return remove(0);}//刪除掉數(shù)組末尾的元素，并返回刪除的元素public E removeLast() {return remove(size - 1);}//如果數(shù)組中有元素e，那么將其刪除，否則什么也不做public void removeElement(E e) {int index = find(e);if (index != -1) {remove(index);}}@Overridepublic String toString() { //覆蓋父類的toString方法 StringBuilder res = new StringBuilder();res.append(String.format("Array: size=%d, capacity=%d\n", size, data.length));res.append('[');for (int i = 0; i < size; i++) {res.append(data[i]);if (i != size - 1) {res.append(", ");}}res.append(']');return res.toString();} }

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8.. 再次在main方法中實例化我們的自定義數(shù)組，進行測試：

• public class Main {public static void main(String[] args) {Array<Integer> arr = new Array<>(20);for (int i = 0; i < 10; i++) {arr.addLast(i);}System.out.println(arr);arr.add(1, 100);System.out.println(arr);arr.addFirst(-1);System.out.println(arr);arr.remove(2);System.out.println(arr);arr.removeElement(4);System.out.println(arr);arr.removeFirst();System.out.println(arr);arr.removeLast();System.out.println(arr);} }

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• 輸出結(jié)果如下：
• Array: size=10, capacity=20 [0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9] Array: size=11, capacity=20 [0, 100, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9] Array: size=12, capacity=20 [-1, 0, 100, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9] Array: size=11, capacity=20 [-1, 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9] Array: size=10, capacity=20 [-1, 0, 1, 2, 3, 5, 6, 7, 8, 9] Array: size=9, capacity=20 [0, 1, 2, 3, 5, 6, 7, 8, 9] Array: size=8, capacity=20 [0, 1, 2, 3, 5, 6, 7, 8]

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9.. 測試讓自定義數(shù)組去承載對象

• public class Student {private String name;private int score;public Student(String studetName, int studentScore) {name = studetName;score = studentScore;}@Overridepublic String toString() {return String.format("Student(name: %s, score: %d)", name, score);}public static void main(String[] args) {Array<Student> arr = new Array<>();arr.addLast(new Student("XueZou", 98));arr.addLast(new Student("Guiche", 100));arr.addLast(new Student("QUiShui", 99));System.out.println(arr);} }

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• 輸出結(jié)果如下：
• Array: size=3, capacity=10 [Student(name: XueZou, score: 98), Student(name: Guiche, score: 100), Student(name: QUiShui, score: 99)]

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10.. 動態(tài)數(shù)組，即數(shù)組的容量可伸縮

• 修改add方法的業(yè)務邏輯，使自定義數(shù)組支持擴容
• //在index位置插入一個新元素e public void add(int index, E e) {if (index < 0 || index > size) {throw new IllegalArgumentException("Add failed. Require index >= 0 and index <= size");}if (size == data.length) {resize(2 * size); //擴大為原容量的2倍 }for (int i = size - 1; i >= index; i--) {data[i + 1] = data[i];}data[index] = e;size++; }

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• 我們需要實現(xiàn)resize方法，業(yè)務邏輯如下：
• private void resize(int newCapacity) {E[] newData = (E[]) new Object[newCapacity];for (int i = 0; i < size; i++) {newData[i] = data[i];}data = newData; }

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• 實現(xiàn)擴容后，進行測試：
• public static void main(String[] args) {Array<Integer> arr = new Array<>();for (int i = 0; i < 10; i++) {arr.addLast(i);}System.out.println(arr);arr.add(1, 100);System.out.println(arr);arr.addFirst(-1);System.out.println(arr); }

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• 輸出效果如下：
• Array: size=10, capacity=10 [0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9] Array: size=11, capacity=20 [0, 100, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9] Array: size=12, capacity=20 [-1, 0, 100, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9]

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• 修改remove方法，使數(shù)組中的元素減少到一定程度時，自動縮小數(shù)組容量
• //刪除掉index位置的元素，并且返回刪除的元素 public E remove(int index) {if (index < 0 || index >= size) {throw new IllegalArgumentException("Remove failed. Index is illegal.");}E ret = data[index];for (int i = index + 1; i < size; i++) {data[i - 1] = data[i];}size--; //data[size]會指向一個類對象，這部分空間不會被釋放loitering objectsdata[size] = null;if (size == data.length / 2) {resize(data.length / 2); //被利用的空間等于總空間的一半時，將數(shù)組容量減少一半 }return ret; }

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• 實現(xiàn)自動降低容量后，進行測試：
• public static void main(String[] args) {Array<Integer> arr = new Array<>();for (int i = 0; i < 10; i++) {arr.addLast(i);}System.out.println(arr);arr.add(1, 100);System.out.println(arr);arr.addFirst(-1);System.out.println(arr);arr.remove(2);System.out.println(arr);arr.removeElement(4);System.out.println(arr);arr.removeFirst();System.out.println(arr); }

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• 輸出效果如下：
• Array: size=10, capacity=10 [0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9] Array: size=11, capacity=20 [0, 100, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9] Array: size=12, capacity=20 [-1, 0, 100, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9] Array: size=11, capacity=20 [-1, 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9] Array: size=10, capacity=10 [-1, 0, 1, 2, 3, 5, 6, 7, 8, 9] Array: size=9, capacity=10 [0, 1, 2, 3, 5, 6, 7, 8, 9]

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11.. 簡單的時間復雜度分析

• O(1), O(n), O(lgn), O(nlgn), O(n^2)
• 大O描述的是算法的運行時間和輸入數(shù)據(jù)之間的關(guān)系
• 通常我們會說下面的這段代碼的算法是O(n)的，n在這里簡單理解為nums中的元素個數(shù)，O(n)是說下面這段代碼的運行效率，與nums中的元素個數(shù)n是呈線性關(guān)系的，線性關(guān)系體現(xiàn)在n是一次方。
• public static int sum(int[] nums) {int sum = 0;for (int num: nums) {sum += num;return sum;}

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• 按照這個思路我們對上面所實現(xiàn)的方法，挨個分析一下它們的算法的時間復雜度：添加操作中addLast(e)方法的時間復雜度是O(1)，這表示我們的算法所消耗的時間與我們數(shù)據(jù)的規(guī)模沒有關(guān)系，這里所指的數(shù)據(jù)規(guī)模是我們數(shù)組中的元素個數(shù)；addFirst(e)方法的時間復雜度是O(n)，因為每個元素都需要向后移動一位；add(index, e)方法的時間復雜度與index的具體取值相關(guān)，它的時間復雜度也是O(n)；綜合來看，添加操作是一個O(n)級別的算法。
• 刪除操作中，removeLast(e)方法的時間復雜度是O(1)；removeFirst(e)的時間復雜度是O(n)；remove(index, e)的時間復雜度也是O(n)；綜合來看，刪除操作的時間復雜度也是O(n)。
• 修改操作set(index, e)的時間復雜度是O(1)，這是數(shù)組的最大優(yōu)勢，專業(yè)術(shù)語稱為"支持隨機訪問"。
• 查詢操作中，get(index)方法的時間復雜度是O(1)；find(e)方法和contains(e)方法的時間復雜度都是O(n)。

12.. 總的來看，對于動態(tài)數(shù)組來說，增刪改查四種操作：

• 增：時間復雜度O(n);
• 刪：時間復雜度O(n);
• 改：已知索引O(1)，未知索引O(n);
• 查：已知索引O(1)，未知索引O(n);
• 因此，索引具有語義時，選擇數(shù)組是非常好的，我們可以通過索引輕松檢索數(shù)據(jù)中的內(nèi)容。

13.. resize的時間復雜度分析

• 對于添加操作，如果我們只使用addLast方法，那么它的時間復雜度本來應該是O(1)，但是，由于存在resize方法，而resize方法的時間復雜度是O(n)，所以addLast方法的時間復雜度就不是O(1)了，但是它的均攤復雜度是O(1);
• 類似的對于刪除操作，如果只使用removeLast方法，那么它的均攤復雜度也是O(1);

14.. 復雜度震蕩

• 復雜度震蕩，是指我們在數(shù)組容量的臨界位置交替進行添加和刪除操作，這會導致數(shù)組不斷執(zhí)行擴容和縮容操作，而擴容和縮容的時間復雜度都是O(n)，出現(xiàn)這種問題的原因在于，我們執(zhí)行removeLast方法后，resize得有點著急(Eager)，解決方案是使用更加懶惰的策略(Lazy)，簡單理解就是，當數(shù)組占用量剛好減到1/2時，不著急縮容，等減到1/4時，再觸發(fā)縮容，只縮1/2。
• 我們需要稍微改動一下remove方法，如下所示：
• public E remove(int index) {if (index < 0 || index >= size) {throw new IllegalArgumentException("Remove failed. Index is illegal.");}E ret = data[index];for (int i = index + 1; i < size; i++) {data[i - 1] = data[i];}size--; //data[size]會指向一個類對象，這部分空間不會被釋放loitering objectsdata[size] = null;if (size == data.length / 4 && data.length / 2 != 0) { //改動在這里resize(data.length / 2); //被利用的空間等于總空間的一半時，將數(shù)組容量減少一半 }return ret; }

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創(chuàng)作挑戰(zhàn)賽新人創(chuàng)作獎勵來咯，堅持創(chuàng)作打卡瓜分現(xiàn)金大獎

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的第二十二篇 玩转数据结构——构建动态数组的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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