算法入门 - 动态数组的实现（Java版本）
静态数组
Java中最基本的数组大家肯定不会陌生：
int[] array = new int[6];
for (int i = 0; i < array.length; i++){
array[i] = 2 * i + 1;
}
通过循环把元素放入指定的位置中，类似于这样：
这是一个静态数组，因为我们在第一步初始化的时候就已经固定了它的长度，后面再也无法改变。所以，由于有这个限制，静态数组不适用于那些不确定储存多少数据的场景。
但是如果数组满了，能否再新建一个更长一些的数组，把原数组这些元素再转移到新数组中呢？这样一来，数组就可以继续使用了。按照这个思路，我们就可以创建基于静态数组的动态数组。
动态数组的实现原理
“动态”主要体现在以下几方面：
1.添加元素
不局限于只在数组末尾添加，而是能够随意选择索引位置(只要不超过数组长度)。例如在索引为1处添加元素4：
从图中可以看出，需要将index处及右侧的元素依次向右移动一个单位（从末位元素开始），最后用新增元素覆盖index处元素。
2.删除元素
同添加元素，也可根据索引进行选择。例如删除索引为0处的元素3：
删除元素移动元素的方向与添加元素正好相反，从index处开始，直接使用后一位元素覆盖前一位元素，最后将末位元素置为null。
3.数组扩容
数组一旦装满元素，可触发数组扩容，即新建一个更长的数组，将原数组元素转移到新数组中，并将引用指向新数组，完成数组的变更；
4.数组缩减
如果数组元素相对总容量来说过少(例如数组元素个数小于数组容量的1/4)，便可触发数组缩减，即新建一个更短的数组，并转移元素至新数组。
代码实现
以下通过新建一个 Array 类，依次实现这几个重要功能：
public class Array<E> {
private E[] data; // 使用静态数组存放数组元素
private int size; // 记录数组元素数量
public Array(int capacity) {
this.data = (E[]) new Object[capacity];
this.size = 0;
}
public Array() {
this(10); // 默认capacity为10
}
// 数组扩容/缩减
public void resize(int newCapacity) {
// 新数组长度必须大于0
if (newCapacity < 0) throw new IllegalArgumentException("capacity must > 0!");
// 创建新数组
E[] newData = (E[]) new Object[newCapacity];
// 将原数组元素放入新数组中
for (int i = 0; i < size; i++) {
newData[i] = data[i];
}
// 将引用指向新数组
data = newData;
}
/**
* 在指定位置添加元素
* 指定位置处的元素需要向右侧移动一个单位
* @param index 索引
* @param element 要添加的元素
*/
public void add(int index, E element) {
if (index < 0 || index > size) throw new IllegalArgumentException("Illegal index, index must > 0 and <= size!");
// 数组满员触发扩容
if (size == data.length) {
resize(2 * data.length); // 扩容为原数组的2倍
}
// 从尾部开始，向右移动元素，直到index
for (int i = size - 1; i >= index; i--) {
data[i + 1] = data[i];
}
// 添加元素
data[index] = element;
size++;
}
// 数组头部添加元素
public void addFirst(E element) {
add(0, element);
}
// 数组尾部添加元素
public void addLast(E element) {
add(size, element);
}
/**
* 删除指定位置元素
* 通过向左移动一位，覆盖指定位置处的元素，实现删除元素(data[size - 1] = null)
* @param index 索引
*/
public E remove(int index) {
if (index < 0 || index > size) throw new IllegalArgumentException("Illegal index, index must > 0 and < size!");
// 数组长度为0时抛出异常
if (size == 0) throw new IllegalArgumentException("Empty array!");
E removedElement = data[index];
// 向左移动元素
for (int i = index; i < size - 1; i++) {
data[i] = data[i + 1];
}
// 将尾部空闲出的位置置为空，释放资源
data[size - 1] = null;
size--;
// size过小触发数组缩减
if (size == data.length / 4 && data.length / 2 != 0) resize(data.length / 2);
return removedElement;
}
// 删除头部元素
public E removeFirst() {
return remove(0);
}
// 删除尾部元素
public E removeLast() {
return remove(size - 1);
}
// 重写Override方法，自定义数组显示格式
@Override
public String toString() {
StringBuilder str = new StringBuilder();
// 显示数组的整体情况(长度、总容量)
str.append(String.format("Array: size = %d, capacity = %d\n[", size, data.length));
// 循环添加数组元素至str
for (int i = 0; i < size; i++) {
str.append(data[i]);
if (i < size - 1) str.append(", ");
}
str.append("]");
return str.toString();
}
}
接下来我们测试一下这个数组的使用情况：
public static void main(String[] args) {
// 添加10个元素
Array<Integer> arr = new Array<>();
for (int i = 0; i < 10; i++)
arr.add(i, i);
// 查看数组当前状态
System.out.println(arr);
// 继续添加元素，观察是否扩容
arr.add(arr.size, 7);
System.out.println(arr);
// 再删除6个元素，观察是否缩减
for (int i = 0; i < 6; i++) {
System.out.println("元素" + arr.removeFirst() + "已被删除！");
}
System.out.println(arr);
}
/*
输出结果：
Array: size = 10, capacity = 10
[0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9]
Array: size = 11, capacity = 20
[0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 7]
元素0已被删除！
元素1已被删除！
元素2已被删除！
元素3已被删除！
元素4已被删除！
元素5已被删除！
Array: size = 5, capacity = 10
[6, 7, 8, 9, 7]
*/
可以看到，当数组满员后，继续添加元素可以成功触发数组扩容；而当数组元素过少时，也会触发缩减。
再实现几个常用方法来完善我们的动态数组类：
// 获取数组长度
public int getSize() {
return size;
}
// 获取数组总容量
public int getCapacity() {
return data.length;
}
// 判断数组是否为空
public boolean isEmpty() {
return getSize() == 0;
}
// 查找指定元素在数组中的位置
public int search(E element) {
for (int i = 0; i < getSize(); i++) {
if (data[i].equals(element)) {
return i;
}
}
// -1表示未找到
return -1;
}
// 判断指定元素是否在数组中
public boolean contains(E element) {
return search(element) != -1;
}
// 按照索引查找元素值
public E get(int index) {
if (index < 0 || index > size) throw new IllegalArgumentException("Illegal index, index must > 0 and < size!");
return data[index];
}
// 查找头部元素
public E getFirst() {
return get(0);
}
// 查找尾部元素
public E getLast() {
return get(getSize() - 1);
}
// 设置指定位置的元素值
public void set(int index, E element) {
if (index < 0 || index > size) throw new IllegalArgumentException("Illegal index, index must > 0 and < size!");
data[index] = element;
}
/**
* 按照元素值删除
* 只删除数组中第一个元素值与指定值相等的元素
* @param element 指定元素值
*/
public boolean removeElement(E element) {
int index = search(element);
if (index != -1) {
remove(index);
return true;
}
return false;
}
/**
* 按照元素值删除
* 删除数组中所有值与指定值相等的元素
*
* @param element 指定元素值
*/
public boolean removeElementAll(E element) {
boolean isRemoved = false;
int i = getSize() - 1;
while (i >= 0) {
if (data[i].equals(element)) {
remove(i);
isRemoved = true;
}
i--;
}
return isRemoved;
}
从外部调用者的角度，无法觉察到其中的数组变更操作，感觉就是一个动态数组，但是由于扩容和缩减操作均需要新建数组，并且遍历原数组，会导致过多的开销，所以从性能上来说，并不是好的解决方案。后面我们将学习更加高效的数据结构。