数组

数组是非常基础的数据结构,数组就是用一块连续的内存空间来存储相同类型的一组数据,最大的特点就是支持随机访问,但是插入和删除操作就很低效了,头部插入会对插入后面的数据进行移动,平均情况时间复杂度为O(n).

这里就不再特别详细的介绍数组了,相信只要学过编程的人都知道数组.

数组为什么会从0开始?

从数组存储的内存模型来看,“下标”最确切的定义应该是”偏移”,如果用a来表示数组的首地址,a0 就是偏移为0的位置,也就是首地址,a k就表示偏移k个type_size的位置,a的内存地址公式就是_

a[k]_address = base_address + k * type_size

但是,如果数组从 1 开始计数,那我们计算数组元素 a的内存地址公式就是

a[k]_address = base_address + (k-1)*type_size

这两个公式对比,不难发现,每次随机访问数组如果从1开始计数都多了一次减法运算,对CPU来说就多了减法指令.就是为了减少一次减法操作,数组从0开始编号而不是从1开始编号.

摘自: 极客时间:《数据结构与算法之美》

动态数组

我们常见的数组都是指定固定的类型和固定的大小,并不支持动态的类型和动态扩容,动态数组如何实现的呢? 类似java中的ArrayList 就是动态数组的实现,关于动态数组的源码大家可以看我的另一篇文章分析: 数据结构之表的总结

下面我们直接看动态数组的代码实现如下:


/**
 * 数组结构
 */
public class Array<T> {
    private T[] data;
    private int size;

    public Array(int capacity) {
        data = (T[]) new Object[capacity];
        size = 0;
    }

    public Array() {
        this(10);
    }

    public int getSize() {
        return size;
    }

    public int getCapacity() {
        return data.length;
    }

    public boolean isEmpty() {
        return size == 0;
    }

    //O(1)
    public void addLast(T e) {
        add(size, e);
    }

    //O(n)
    public void addFirst(T e) {
        add(0, e);
    }

    //添加元素 O(n)
    public void add(int index, T e) {
        if (index < 0 || index > size) {
            throw new IllegalArgumentException("add error request index < 0 || index > capacity");
        }

        if (size == data.length) {
            //数组空间的扩容 为原来的两倍
            resize(2 * data.length);
        }

        for (int i = size - 1; i >= index; i--) {
            data[i + 1] = data[i];
        }
        data[index] = e;
        size++;
    }

    //动态数组 使数组的容量可伸缩的,开创新的数组 将旧的数组全部放到新数组中。改变旧数组的指向新的空间
    private void resize(int newCapacity) {
        T[] newData = (T[]) new Object[newCapacity];
        for (int i = 0; i < size; i++) {
            newData[i] = data[i];
        }
        data = newData;
    }

    //O(n)
    public T removeFirst() {
        return remove(0);
    }

    //O(1)
    public T removeLast() {
        return remove(size - 1);
    }

    //数组中存在一个元素e 只删除一个
    public boolean removeElement(T e) {
        int index = find(e);
        if (index != -1) {
            remove(index);
            return true;
        }
        return false;
    }

    //删除所有重复的元素
    public boolean removeElementAll(T e) {
        return removeAll(e);
    }

    private boolean removeAll(T e) {
        int index = find(e);
        if (index == -1) {
            return true;
        }
        remove(index);
        removeAll(e);
        return false;
    }

    //删除某个索引
    public synchronized T remove(int index) {
        if (index < 0 || index >= size) {
            throw new IllegalArgumentException("add error request index < 0 || index > size");
        }
        T e = data[index];
        for (int i = index; i < size - 1; i++) {
            data[i] = data[i + 1];
        }
        size--;
        data[size] = null;
        //如果当前的元素个数已经小到了一个程度 1/2 的程度则缩小容量
        //为了防止出现震荡的情况 如:位于扩容与缩容临界点 不断的添加或者删除 就会不断的扩容和缩容,时间复杂度都是O(n)
        //所以将元素的个数达到总容量的1/4时才进行缩容 到总容量的一半 可以有效的防止上述的临界点的问题
        if (size == data.length / 4 && data.length / 2 != 0) {
            resize(data.length / 2);
        }
        return e;
    }


    //获取某个元素
    public T get(int index) {
        if (index < 0 || index >= size) {
            throw new IllegalArgumentException("add error request index < 0 || index > size");
        }
        return data[index];
    }

    //更新某个元素
    public void set(int index, T e) {
        if (index < 0 || index >= size) {
            throw new IllegalArgumentException("add error request index < 0 || index > size");
        }
        data[index] = e;
    }

    //是否存在某个元素
    public boolean contains(T e) {
        for (int i = 0; i < size; i++) {
            if (data[i].equals(e)) {
                return true;
            }
        }
        return false;
    }

    //找到元素的索引
    public int find(T e) {
        for (int i = 0; i < size; i++) {
            if (data[i].equals(e)) {
                return i;
            }
        }
        return -1;
    }

    //找到所有重复的元素
    public int[] findAll(T e) {
        int[] indexs = new int[size];
        int k = 0;
        for (int i = 0; i < size; i++) {
            if (data[i].equals(e)) {
                indexs[k] = i;
                k++;
            } else {
                indexs[k] = -1;
                k++;
            }
        }
        return indexs;
    }

    @Override
    public String toString() {
        StringBuffer res = new StringBuffer();
        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();
    }
}