算法学习之动态数组类

柔情只为你懂 2022-05-15 03:09 188阅读 0赞

# 算法学习之动态数组类 #

## 一、整型动态数组类 ##

数组操作逻辑代码实现

public class Array {
        
    
        private int[] data;
        private int size;
    
    
        //构造函数，传入数组的容量capacity构造Array
        public Array(int capacity){
            data = new int[capacity];
            size = 0;
        }
        //无参构造函数，默认数组的容量capacity=10
        public Array() {
            this(10);
        }
        // 获取数组的容量
        public int getCapacity(){
            return data.length;
        }
        // 获取数组中的元素个数
        public int getSize(){
            return size;
        }
        // 返回数组是否为空
        public boolean isEmpty(){
            return size == 0;
        }
    
        // 向所有元素后添加一个新元素
        public void addLast(int e){
    
            // if(size == data.length)
            //     throw new IllegalArgumentException("AddLast failed. Array is full.");
            //
            // data[size] = e;
            // size ++;
            add(size, e);  //代码的复用
        }
        // 在所有元素前添加一个新元素
        public void addFirst(int e){
            add(0, e);
        }
    
        // 在index索引的位置插入一个新元素e
        public void add(int index, int e){
            //合法性检测
            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 --)  //将索引位置之后的所有元素向后移一个位置
                data[i + 1] = data[i];
            data[index] = e;
            size ++;
        }
    
        //获取index索引位置的元素
        public int get(int index){
            if (index<0 || index>=size)
                throw new IllegalArgumentException("Get failed. Index is illegal.");
            return data[index];
        }
        // 修改index索引位置的元素为e
        public void set(int index, int e){
            if(index < 0 || index >= size)
                throw new IllegalArgumentException("Set failed. Index is illegal.");
            data[index] = e;
        }
    
        // 查找数组中是否有元素e
        public boolean contains(int e){
            for(int i = 0 ; i < size ; i ++){
                if(data[i] == e)
                    return true;
            }
            return false;
        }
    
        // 查找数组中元素e所在的索引，如果不存在元素e，则返回-1
        public int find(int e){
            for(int i = 0 ; i < size ; i ++){
                if(data[i] == e)
                    return i;
            }
            return -1;
        }
    
        // 从数组中删除index位置的元素, 返回删除的元素
        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;
        }
    
        // 从数组中删除第一个元素, 返回删除的元素
        public int removeFirst(){
            return remove(0);
        }
    
        // 从数组中删除最后一个元素, 返回删除的元素
        public int removeLast(){
            return remove(size - 1);
        }
    
        // 从数组中删除元素e
        public void removeElement(int e){
            int index = find(e);
            if(index != -1)
                remove(index);
        }
    
        //方法重写，数组内容的输出
        @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();
        }
    }

数组操作测试

public class Main {
    
        public static void main(String[] args) {
    
    //        int[] arr = new int[20];
    //        for (int i = 0; i < arr.length; i++) {   //arr.length可变
    //            arr[i] = i;
    //        }
    //
    //        int[] scores = new int[]{100, 99, 98};
    //        for (int score : scores)   // foreach循环的实现
    //            System.out.println(score);
    
            Array 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);
        }
    }

## 二、使用泛型 ##

让我们的数据结构可以放置“任何”数据类型  
不可以是基本数据类型，只能是类对象  
boolean，byte , char，short，int，long，float，double  
每个基本数据类型都有对应的包装类  
Boolean，Byte，Char，Short , Int , Long，Float，Double

需要改动的地方：  
1、声明数组的方式，不再只是int

public class Array<E>{
        private E[] data;
        ...
        //创建类数组
        data = (E[])new Object[capacity];
    }

2、传入参数类型改变

public void addLast(E e){ //不再是int e
            add(size, e);
        }

3、值比较与引用比较

判断相等的时候不能用==，改为equals()方法
    // 查找数组中是否有元素e
        public boolean contains(E e){
            for(int i = 0 ; i < size ; i ++){
                if(data[i].equals(e))  //data[i] == e
                    return true;
            }
            return false;
        }

4、声明存放数据类型

Array<Integer> arr = new Array<>(20); int类型的包装类
    //下面是原来的
    Array arr = new Array(20);

修改后的泛型数组代码

public class Array<E> {
    
        private E[] data;
        private int size;
    
        // 构造函数，传入数组的容量capacity构造Array
        public Array(int capacity){
            data = (E[])new Object[capacity];
            size = 0;
        }
    
        // 无参数的构造函数，默认数组的容量capacity=10
        public Array(){
            this(10);
        }
    
        // 获取数组的容量
        public int getCapacity(){
            return data.length;
        }
    
        // 获取数组中的元素个数
        public int getSize(){
            return size;
        }
    
        // 返回数组是否为空
        public boolean isEmpty(){
            return size == 0;
        }
    
        // 在index索引的位置插入一个新元素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 ++;
        }
    
        // 向所有元素后添加一个新元素
        public void addLast(E e){
            add(size, e);
        }
    
        // 在所有元素前添加一个新元素
        public void addFirst(E e){
            add(0, e);
        }
    
        // 获取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索引位置的元素为e
        public void set(int index, E e){
            if(index < 0 || index >= size)
                throw new IllegalArgumentException("Set failed. Index is illegal.");
            data[index] = e;
        }
    
        // 查找数组中是否有元素e
        public boolean contains(E e){
            for(int i = 0 ; i < size ; i ++){
                if(data[i].equals(e))
                    return true;
            }
            return false;
        }
    
        // 查找数组中元素e所在的索引，如果不存在元素e，则返回-1
        public int find(E e){
            for(int i = 0 ; i < size ; i ++){
                if(data[i].equals(e))
                    return i;
            }
            return -1;
        }
    
        // 从数组中删除index位置的元素, 返回删除的元素
        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
            return ret;
        }
    
        // 从数组中删除第一个元素, 返回删除的元素
        public E removeFirst(){
            return remove(0);
        }
    
        // 从数组中删除最后一个元素, 返回删除的元素
        public E removeLast(){
            return remove(size - 1);
        }
    
        // 从数组中删除元素e
        public void removeElement(E e){
            int index = find(e);
            if(index != -1)
                remove(index);
        }
    
        @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();
        }
    }

泛型数组操作代码

public class Student {
    
        private String name;
        private int score;
    
        public Student(String studentName, int studentScore){
            name = studentName;
            score = studentScore;
        }
    
        @Override
        public 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("Alice", 100));
            arr.addLast(new Student("Bob", 66));
            arr.addLast(new Student("Charlie", 88));
            System.out.println(arr);
        }
    }

## 三、动态数组 ##

当数组的长度大于数组实际的个数的时候，多余的空间就会浪费，可以自动调用方法使数组长度变小。  
一般采取2倍的操作，扩容2倍或者缩小2倍。

// 在index索引的位置插入一个新元素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);
    
            for(int i = size - 1; i >= index ; i --)
                data[i + 1] = data[i];
    
            data[index] = e;
    
            size ++;
        }
    
    // 从数组中删除index位置的元素, 返回删除的元素
        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 / 2)
                resize(data.length / 2);
            return ret;
        }
    
    
    // 将数组空间的容量变成newCapacity大小
        private void resize(int newCapacity){
    
            E[] newData = (E[])new Object[newCapacity];
            for(int i = 0 ; i < size ; i ++)
                newData[i] = data[i];
            data = newData;
        }

## 四、复杂度震荡 ##

当长度刚好是数组长度时，增加一个和删除一个末尾的元素都需要扩容，时间复杂度都是O(n)，在这个极端情况下产生的复杂度变化称为复杂度震荡。解决的方式就是懒处理，当元素在原来的1/4时缩小一半。  
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// 从数组中删除index位置的元素, 返回删除的元素
        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)
                resize(data.length / 2);
            return ret;
        }

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