Array-数组-数据结构

数组

概述

把数据码成一排进行存放

创建demo

新建项目

基础讲解

索引

索引可以有语意，也可以没有语意。

简而言之就是：数组当中的数据是否有语意。

比如：数组专门用来存放一类事物数据。一组成绩、一组排名等等。。。

数组优点

查询非常非常快（就是因为索引的存在）

二次封装实现数组类

基本定义array类

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;
    }
}

添加元素

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;
    }

    // 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);
    }

    // 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){

        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 ++;
    }

}

解读：

// 在哪个位置插入数后，往后的数都要往后移动一位。
    // 在index索引的位置插入一个新元素e
    public void add(int index, int e){
       
        for(int i = size - 1; i >= index ; i --)
            data[i + 1] = data[i];

        data[index] = e;

        size ++;
    }

代码	功能
int i = size - 1;	最后一个数的索引开始，往index索引的位置开始计算
i >= index ;	总共要循环 size-1-index 次
i --	每次循环(size-1)-1
data[i + 1] = data[i];	每个数都往后挪一位data[size] = data[size-1];
size ++;	维护size++

查询元素和修改元素

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;
    }

    // 向所有元素后添加一个新元素
    public void addLast(int e){
        add(size, e);
    }

    // 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){

        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 ++;
    }

    // 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;
    }

    @Override
    public String toString(){

        StringBuilder res = new StringBuilder();
        res.append(String.format("Array: size = %d , capacity = %d
", 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();
    }
}

查询有什么元素：

重写toString方法

    @Override
    public String toString(){

        StringBuilder res = new StringBuilder();
        res.append(String.format("Array: size = %d , capacity = %d
", 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();
    }

获取元素和修改元素：

    // 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;
    }

包含，搜索和删除元素

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;
    }

    // 向所有元素后添加一个新元素
    public void addLast(int e){
        add(size, e);
    }

    // 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){

        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 ++;
    }

    // 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);
    }

    @Override
    public String toString(){

        StringBuilder res = new StringBuilder();
        res.append(String.format("Array: size = %d , capacity = %d
", 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();
    }
}

查看是否包含元素：

    // 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;
    }

搜索元素：

    // 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;
    }

删除元素：

    // 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;
    }

解读：

代码	功能
int ret = data[index];	java自带数组取出index的值
int i = index + 1 ;i < size ;	88到100区间都要往前移动一位
i < size ;	size = 5;
i ++	（index+1）+1
data[i - 1] = data[i];	index+1的数赋值给index
size --;	循环完以后size--

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（8种），只能是类对象。可以放置爆装备。

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
", 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();
    }
}

将原先的只支持int数组改成可支持任何数据类型。

泛型的使用：

代码	功能
Array	E的名字可以任意取名，规范就用E，element的意思
data[i].equals(e)	之前是==比较值，因为对象比较用equals

动态数组

数组容量大小一旦确定不可更改。

可以扩容，是创建一个新的数组，把之前数组的数据循环遍历给新的数组。

指向新的数组

newdata在我们函数执行完成之后就失效了。

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(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 ++;
    }

    // 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

        if(size == data.length / 2)
            resize(data.length / 2);
        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
", 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();
    }

    // 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;
    }
}

解读：

    // 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;
    }

代码	功能
newData[i] = data[i];	将data[]里的内容转给newData[]
data = newData;	将data指向newData

简单的时间复杂度分析

用来分析性能。

想深入理解涉及很多数学中的概念。

算法（函数）和n成线性关系。正比例关系。

忽略常数：

实际时间：T = c1*n + c2

c1、c2都是常数。

c1 ：函数中变量被各种操作的频数，相当于走的路程。

O1 复杂度：在常数时间内直接可以完成的。

同理可得：

总结：

因为resize的存在，动态扩容。所以也是O(n)

resize的复杂度分析

需要扩容（缩容）是因为容量不够（够）了。

从这意义上讲resize的复杂度是O(n)级别的。

但是很多时候是不需要扩容（缩容）的。反而变成了O(1)级别的。

通过以上的理解：最坏的情况不是每次都会出现。所以出现均摊复杂度。

均摊复杂度

最坏的情况不是每次都会出现

是一个好的思想。

但是如果坏的情况频繁出现（照样还是O(n)级别的。）。就会引发复杂度震荡的问题

复杂度震荡

最坏的情况频繁出现

出现的原因：removeLast时resize过于着急（Eager：着急）

解决方案：

使用更加懒惰的一种方式：Lazy

当我们需要缩容的时候，不要让他立刻就缩容。而是等到容器达到4/1（自定义的值）的时候再进行缩容。

代码修改：

    // 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;
    }

代码	功能
if(size == data.length / 4 && data.length / 2 != 0)	条件限制，防止出现数组缩到0的时候。数组大小不可为0
resize(data.length / 2);	到达指定值的时候进行缩容