資料結構（二）陣列
摘要：
陣列就是把資料碼成一排進行存放：
陣列的最大優點：快速查詢。scores[2]
我們基於Java的靜態陣列，封裝一個屬於自己的動態陣列類Array，加深對於陣列這種資料結構的理解。
我們基於Java靜態陣列data來封裝我們的動態陣列Array類，capac...
陣列就是把資料碼成一排進行存放：
陣列的最大優點：快速查詢。scores[2]
我們基於Java的靜態陣列，封裝一個屬於自己的動態陣列類Array，加深對於陣列這種資料結構的理解。
我們基於Java靜態陣列data來封裝我們的動態陣列Array類，capacity表示陣列容量，可以通過data.length獲得。size表示陣列元素個數，初始為0（也可以看成是下一個新增元素的索引位置）。
據此，設計Array類結構。
初始陣列類結構
public class Array<E> {
private E[] data;
private int size;
// 建構函式，傳入陣列的容量captacity構造Array
public Array(int capacity) {
data = (E[])new Object[capacity];
size = 0;
}
// 無引數的建構函式，預設陣列的容量capacity=10
public Array() {
this(10);
}
// 獲取陣列中的元素個數
public int getSize() {
return size;
}
// 獲取陣列的容量
public int getCapacity() {
return data.length;
}
// 返回陣列是否為空
public boolean isEmpty() {
return size == 0;
}
}
向陣列末尾新增元素
新增元素前：
新增元素後：
分析得出，如果要向陣列新增元素e，只要在size所在索引位置設定元素e，然後size向後移動（size++）即可。
據此，增加新增元素相關的程式碼：
// 在所有元素後新增一個新元素
public void addLast(E e) {
if(size == data.length) { // 陣列容量已填滿，則不能再新增
throw new IllegalArgumentException("AddLast failed. Array is full.");
}
data[size] = e;
size++;
}
向指定位置新增元素
新增前：
新增後：
分析得出，只要把要插入元素的索引位置的當前元素以及其後的所有元素，都往後挪動一位，然後在指定索引位置設定新元素即可，最後size++。為避免元素覆蓋，具體挪的時候，需要從後往前推進完成元素挪動的整個過程。
修改程式碼：
// 在第index個位置插入一個新元素e
public 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++;
}
調整addLast，複用add方法，同時增加一個addFirst：
// 在所有元素後新增一個新元素
public void addLast(E e) {
add(size, e);
}
// 在所有元素前新增一個新元素
public void addFirst(E e) {
add(0, e);
}
獲取元素和修改元素
// 獲取index索引位置的元素
public E get(int index) {
if (index < 0 || index >= size) {
throw new IllegalArgumentException("Get failed. Index is illegal.");
}
return data[index];
}
// 修改index索引位置的元素
public void set(int index, E e) {
if (index < 0 || index >= size) {
throw new IllegalArgumentException("Set failed. Index is illegal.");
}
data[index] = e;
}
包含、搜尋
// 查詢陣列中是否有元素e
public boolean contains(E e) {
for (int i = 0; i < size; i++) {
if (data[i].equals(e)) {
return true;
}
}
return false;
}
// 查詢陣列中元素e所在的索引，如果不存在元素e，則返回-1
public int find(E e) {
for (int i = 0; i < size; i++) {
if (data[i].equals(e)) {
return i;
}
}
return -1;
}
從陣列中刪除元素
刪除前：
刪除後：
分析得出，只要將要刪除位置之後的元素都往前挪動一位即可。然後size減1。
修改程式碼：
// 從陣列中刪除index位置的元素，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--;
return ret;
}
// 從陣列中刪除第一個元素，返回刪除的元素
public E removeFirst() {
return remove(0);
}
// 從陣列中刪除最後一個元素，返回刪除的元素
public E removeLast() {
return remove(size - 1);
}
// 從陣列中刪除元素e（只刪除一個）
public boolean removeElement(E e) {
int index = find(e);
if (index != -1) {
remove(index);
return true;
}
return false;
}
動態陣列
容量開太大，浪費空間，容量開小了，空間不夠用。所以需要實現動態陣列。
具體做法如下：
就是在方法中開闢一個更大容量的陣列，迴圈遍歷原來的陣列元素，設定到新的陣列上。然後將原陣列的data指向新陣列。
修改程式碼：
// 陣列容量擴容/縮容
public void resize(int newCapacity) {
E[] newData = (E[])new Object[newCapacity];
for (int i = 0; i < size; i++) {
newData[i] = data[i];
}
data = newData;
}
修改新增元素的程式碼，新增時自動擴容：
// 在第index個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("AddLast failed. Require index >= 0 and index <= size");
}
if (size == data.length) {
resize(2 * data.length); // 擴容為原來的2倍
}
for (int i = size - 1; i >= index; i--) {
data[i + 1] = data[i];
}
data[index] = e;
size++;
}
修改刪除元素的程式碼，必要時自動縮容：
// 從陣列中刪除index位置的元素，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] = null; // loitering objects != memory leak
if (size == data.length / 4 && data.length / 2 != 0) { // 縮減陣列使用lazy方式（避免複雜度震盪），在1/4的時候縮容
resize(data.length / 2); // 縮容為原來的一半
}
return ret;
}
測試陣列
@Override
public String toString() {
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();
}
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);
}
console輸出：
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 = 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]
完整程式碼
public class Array<E> {
private E[] data;
private int size;
// 建構函式，傳入陣列的容量captacity構造Array
public Array(int capacity) {
data = (E[])new Object[capacity];
size = 0;
}
// 無引數的建構函式，預設陣列的容量capacity=10
public Array() {
this(10);
}
// 獲取陣列中的元素個數
public int getSize() {
return size;
}
// 獲取陣列的容量
public int getCapacity() {
return data.length;
}
// 返回陣列是否為空
public boolean isEmpty() {
return size == 0;
}
// 在第index個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 * data.length); // 擴容為原來的2倍
}
for (int i = size - 1; i >= index; i--) {
data[i + 1] = data[i];
}
data[index] = e;
size++;
}
// 在所有元素後新增一個新元素
public void addLast(E e) {
add(size, e);
}
// 在所有元素前新增一個新元素
public void addFirst(E e) {
add(0, e);
}
// 獲取index索引位置的元素
public E get(int index) {
if (index < 0 || index >= size) {
throw new IllegalArgumentException("Get failed. Index is illegal.");
}
return data[index];
}
// 修改index索引位置的元素
public void set(int index, E e) {
if (index < 0 || index >= size) {
throw new IllegalArgumentException("Set failed. Index is illegal.");
}
data[index] = e;
}
// 查詢陣列中是否有元素e
public boolean contains(E e) {
for (int i = 0; i < size; i++) {
if (data[i].equals(e)) {
return true;
}
}
return false;
}
// 查詢陣列中元素e所在的索引，如果不存在元素e，則返回-1
public int find(E e) {
for (int i = 0; i < size; i++) {
if (data[i].equals(e)) {
return i;
}
}
return -1;
}
// 從陣列中刪除index位置的元素，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] = null; // loitering objects != memory leak
if (size == data.length / 4 && data.length / 2 != 0) { // 縮減陣列使用lazy方式（避免複雜度震盪），在1/4的時候才縮容
resize(data.length / 2); // 縮容為原來的一半
}
return ret;
}
// 從陣列中刪除第一個元素，返回刪除的元素
public E removeFirst() {
return remove(0);
}
// 從陣列中刪除最後一個元素，返回刪除的元素
public E removeLast() {
return remove(size - 1);
}
// 從陣列中刪除元素e（只刪除一個）
public boolean removeElement(E e) {
int index = find(e);
if (index != -1) {
remove(index);
return true;
}
return false;
}
public void resize(int newCapacity) {
E[] newData = (E[])new Object[newCapacity];
for (int i = 0; i < size; i++) {
newData[i] = data[i];
}
data = newData;
}
@Override
public String toString() {
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();
}
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);
}
}