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《恋上数据结构第1季》动态扩容数组原理及实现

2022-05-25 138
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简介： 动态扩容数组原理及实现

本章源码：恋上数据结构源码 - 动态数组

什么是数据结构？

数据结构是计算机存储、组织数据的方式；
在这里插入图片描述
在实际应用中，根据使用场景来选择最合适的数据结构

线性表

线性表是具有 n 个相同类型元素的有限序列（ n ≥ 0 ）
在这里插入图片描述

  • a~1~ 是首节点（首元素）， a~n~ 是尾结点（尾元素）
  • a~1~ 是 a~2~ 的前驱， a~2~ 是 a~1~ 的后继

常见的线性表有：

  • 数组
  • 链表
  • 栈
  • 队列
  • 哈希表（散列表）

数组（Array）

数组是一种顺序存储的线性表，所有元素的内存地址是连续的
在这里插入图片描述

在很多编程语言中，数组都有个致命的缺点： 无法动态修改容量

实际开发中，我们更希望数组的容量是可以动态改变的

动态数组（Dynamic Array）

动态数组接口设计

在这里插入图片描述
动态数组的结构：

  • size
  • elements

在这里插入图片描述

Java 中，成员变量会自动初始化，比如：

  • int 类型自动初始化为 0
  • 对象类型自动初始化为 null

清除所有元素 - clear()

核心代码是 size = 0，实际上不需要执行 elements = null，size = 0 的操作已经对用户来说保证了无法访问动态数组中的元素了。

添加元素 - add(E element)、add(int index, E element)

add(E element)：默认往数组最后添加元素；
在这里插入图片描述
add(int index, E element)：在 index 位置插入一个元素；

比如要往 index = 2 的地方添加元素：

  • 正确的顺序应当是：从后往前开始将 index = 2 以后的元素依次后移，然后赋值：

在这里插入图片描述

  • 如果从前往后开始移动元素，会造成如下错误的后果：

在这里插入图片描述

代码实现：

/**
 * 在index位置插入一个元素
 * @param index
 * @param element
 */
public void add(int index, E element){ 
    rangeCheckForAdd(index); // 检查下标越界
    ensureCapacity(size + 1); // 确保容量够大
    // 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9    (index)
    // 1 2 3 4 5 6 x x x x    (原数组)
    // 在index=2处，插入9，元素全部后移
    // 1 2 9 3 4 5 6 x x x    (add后数组)
    // 先从后往前开始, 将每个元素往后移一位, 然后再赋值
    for (int i = size - 1; i > index; i--) {
        elements[i + 1] = elements[i];
    }
    elements[index] = element; // 复制
    size++;
}
/**
 * 添加元素到数组最后
 */
public void add(E element){
    add(size, element);
}

删除元素 - remove(int index)、清空数组 - clear()

例如，删除 index = 3 的数组元素，应当从前往后开始移动，用后面的元素覆盖前面的元素。
在这里插入图片描述
思考：最后一个元素如何处理？

  • 如果存放 int 类型，size-- 后，最后一个元素已经无法访问了。
  • 如果使用泛型，数组要注意内存管理（将元素置 null）。

使用泛型技术可以让动态数组更加通用，可以存放任何数据类型：
在这里插入图片描述

代码实现：

/**
 * 删除index位置的元素
 * @param index
 * @return
 */
public E remove(int index){
    rangeCheck(index);
    // 0 1 2 3 4 5     (index)
    // 1 2 3 4 5 6     (原数组)
    // 删除index为2的元素，元素前移
    // 1 2 4 5 6    (remove后的数组)
    // 从前往后开始移, 用后面的元素覆盖前面的元素
    E old = elements[index];
    for (int i = index; i < size - 1; i++) {
        elements[i] = elements[i + 1];
    }
    // 下面是使用泛型后需要写的(如果存储的是int型数据, 则不需要)
    elements[--size] = null; // 删除元素后, 将最后一位设置为null
    return old;
}
/**
 * 清除所有元素
 */
public void clear(){
    // 使用泛型数组后要注意内存管理(将元素置null)
    for (int i = 0; i < size; i++) {
        elements[i] = null;
    }
    size = 0;
}

是否包含某个元素 - contains(E element)

关于 null 的处理主要看你的业务需求：是否可以存储 null 数据？

/**
 * 是否包含某个元素
 * @param element
 * @return
 */
public boolean contains(E element){
    return indexOf(element) != ELEMENT_NOT_FOUND; // 找的到该元素则返回True
}
/**
* 查看元素的索引
 * @param element
 * @return
 */
public int indexOf(E element){
    /*
    // 不对 null 进行处理也可以，但是健壮性不够
    for (int i = 0; i < size; i++) {
        if(elements[i].equals(element)) return i;
    }
     */
    if(element == null){ // 对 null 进行处理
        for (int i = 0; i < size; i++) {
            if(elements[i] == null) return i;
        }
    }else{
        for (int i = 0; i < size; i++) {
            if(elements[i].equals(element)) return i;
        }
    }
    return ELEMENT_NOT_FOUND;
}

扩容 - ensureCapacity(int capacity)

相信看过视频的小伙伴一看这图就懂了。
在这里插入图片描述
扩容操作代码实现：

/**
 * 扩容操作
 */
private void ensureCapacity(int capacity){
    int oldCapacity = elements.length;
    if (oldCapacity >= capacity) return;
    // 新容量为旧容量的1.5倍
    int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
    E[] newElements = (E[])new Object[newCapacity];
    for (int i = 0; i < size; i++) {
        newElements[i] = elements[i]; // 拷贝原数组元素到新数组
    }
    elements = newElements;
    System.out.println("size="+oldCapacity+", 扩容到了"+newCapacity);
}

打印数组（toString）

  • 重写 toString 方法
  • 在 toString 方法中将元素拼接成字符串
  • 字符串拼接建议使用 StringBuilder
@Override
public String toString() {
    // 打印形式为: size=5, [99, 88, 77, 66, 55]
    StringBuilder string = new StringBuilder();
    string.append("size=").append(size).append(", [");
    for (int i = 0; i < size; i++) {
        if(0 != i) string.append(", ");
        string.append(elements[i]);
    }
    string.append("]");
    return string.toString();
}

泛型

使用泛型技术可以让动态数组更加通用，可以存放任何数据类型

public class ArrayList<E> {
    private int size;
    private E[] elements;
}
elements = (E[]) new Object[capacity];
ArrayList<Integer> list = new ArrayList<>();

对象数组 - Object[]

Object[] objects = new Object[7];
  • 由于 Object 可以存放任何类型，因此无法固定 Object 占多少内存空间（根据传入不同的自定义对象，占用的空间都不同），因此实际上 Object 数组中存放的是对象的地址。
  • 想要销毁对象，只需要将指向该对象的地址赋值为 null，没有地址引用该对象，则会自动被垃圾回收

在这里插入图片描述

内存管理细节：

public void clear() {
    for (int i = 0; i < size; i++) {
        elements[i] = null; // 管理内存
    }
    size = 0;
}
public E remove(int index) {
    rangeCheck(index);
    E oldElement = elements[index];
    for (int i = index; i < size - 1; i++) {
        elements[i] = elements[i + 1];
    }
    elements[--size] = null; // 管理内存
    return oldElement;
}

int型动态数组源码（Java）

public class ArrayList {
    private int size;        // 元素数量    
    private int[] elements; // 所有的元素

    private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10; // 初始容量
    private static final int ELEMENT_NOT_FOUND = -1;
    
    public ArrayList(int capacity) { // 容量小于10一律扩充为10
        capacity = (capacity < DEFAULT_CAPACITY) ? DEFAULT_CAPACITY : capacity;
        elements = new int[capacity];
    }
    public ArrayList(){
        this(DEFAULT_CAPACITY);
    }
    /**
     * 元素的数量
     * @return
     */
    public int size(){
        return size;
    }
    /**
     * 是否为空
     * @return
     */
    public boolean isEmpty(){
        return size == 0;
    }
    /**
     * 是否包含某个元素
     * @param element
     * @return
     */
    public boolean contains(int element){
        return indexOf(element) != ELEMENT_NOT_FOUND; //找的到该元素则返回True
    }
    /**
     * 在index位置插入一个元素
     * @param index
     * @param element
     */
    public void add(int index, int element){
        rangeCheckForAdd(index); // 检查下标越界
        ensureCapacity(size + 1); // 确保容量够大
        
        // 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9    (index)
        // 1 2 3 4 5 6 x x x x    (原数组)
        // 在index=2处，插入9，元素全部后移
        // 1 2 9 3 4 5 6 x x x    (add后数组)
        // 先从后往前开始, 将每个元素往后移一位, 然后再赋值
        for (int i = size - 1; i > index; i--) {
            elements[i + 1] = elements[i];
        }
        elements[index] = element; // 赋值
        size++;
    }
    /**
     * 添加元素到最后面
     */
    public void add(int element){
        add(size, element);
    }
    /**
     * 设置index位置的元素
     * @param index
     * @param element
     * @return 原来的元素ֵ
     */
    public int get(int index){
        rangeCheck(index);
        return elements[index];
    }
    /**
     * 设置index位置的元素
     * @param index
     * @param element
     * @return 原来的元素ֵ
     */
    public int set(int index, int element){
        rangeCheck(index);
        int old = elements[index];
        elements[index] = element;
        return old;
    }
    /**
     * 删除index位置的元素
     * @param index
     * @return
     */
    public int remove(int index){
        rangeCheck(index);
        
        // 0 1 2 3 4 5     (index)
        // 1 2 3 4 5 6     (原数组)
        // 删除index为2的元素，元素前移
        // 1 2 4 5 6    (remove后的数组)
        int old = elements[index];
        // 从前往后开始移, 用后面的元素覆盖前面的元素
        for (int i = index; i < size-1; i++) {
            elements[i] = elements[i + 1];
        }
        size--;
        return old;
    }
    /**
     * 查看元素的索引
     * @param element
     * @return
     */
    public int indexOf(int element){
        for (int i = 0; i < size; i++) {
            if(elements[i] == element) return i;
        }
        return ELEMENT_NOT_FOUND;
    }
    /**
     * 清除所有元素
     */
    public void clear(){
        size = 0;
    }
    /*
     * 扩容操作
     */
    private void ensureCapacity(int capacity){
        int oldCapacity = elements.length;
        if(oldCapacity >= capacity) return;
        // 新容量为旧容量的1.5倍
        int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1); // 1.5
        int[] newElements = new int[newCapacity];
        for (int i = 0; i < size; i++) {
            newElements[i] = elements[i];
        }
        elements = newElements;
        System.out.println("size="+oldCapacity+", 扩容到了"+newCapacity);
    }
    /****************封装好的功能函数*******************************/
    // 下标越界抛出的异常
    private void outOfBounds(int index) {
        throw new IndexOutOfBoundsException("Index:" + index + ", Size:" + size);
    }
    // 检查下标越界(不可访问或删除size位置)
    private void rangeCheck(int index){
        if(index < 0 || index >= size){
            outOfBounds(index);
        }
    }
    // 检查add()的下标越界(可以在size位置添加)
    private void rangeCheckForAdd(int index) {
        if (index < 0 || index > size) {
            outOfBounds(index);
        }
    }
    /****************封装好的功能函数*******************************/
    @Override
    public String toString() {
        // 打印形式为: size=5, [99, 88, 77, 66, 55]
        StringBuilder string = new StringBuilder();
        string.append("size=").append(size).append(", [");
        for (int i = 0; i < size; i++) {
            if(0 != i) string.append(", ");
            string.append(elements[i]);
        }
        string.append("]");
        return string.toString();
    }
}

泛型动态数组源码（Java）

@SuppressWarnings("unchecked")
public class ArrayList<E> {
    private int size;        // 元素的数量    
    private E[] elements;     // 所有的元素

    private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10; // 初始容量
    private static final int ELEMENT_NOT_FOUND = -1;
    
    public ArrayList(int capacity) { // 容量小于10一律扩充为10
        capacity = (capacity < DEFAULT_CAPACITY) ? DEFAULT_CAPACITY : capacity;
        elements = (E[])new Object[capacity];
    }
    public ArrayList(){
        this(DEFAULT_CAPACITY);
    }
    /**
     * 元素的数量
     * @return
     */
    public int size(){
        return size;
    }
    /**
     * 是否为空
     * @return
     */
    public boolean isEmpty(){
        return size == 0;
    }
    /**
     * 是否包含某个元素
     * @param element
     * @return
     */
    public boolean contains(E element){
        return indexOf(element) != ELEMENT_NOT_FOUND; // 找的到该元素则返回True
    }
    /**
     * 在index位置插入一个元素
     * @param index
     * @param element
     */
    public void add(int index, E element){ 
        rangeCheckForAdd(index); // 检查下标越界
        ensureCapacity(size + 1); // 确保容量够大
        
        // 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9    (index)
        // 1 2 3 4 5 6 x x x x    (原数组)
        // 在index=2处，插入9，元素全部后移
        // 1 2 9 3 4 5 6 x x x    (add后数组)
        // 先从后往前开始, 将每个元素往后移一位, 然后再赋值
        for (int i = size - 1; i > index; i--) {
            elements[i + 1] = elements[i];
        }
        elements[index] = element; // 复制
        size++;
    }
    /**
     * 添加元素到最后面
     */
    public void add(E element){
        add(size, element);
    }
    /**
     * 设置index位置的元素
     * @param index
     * @param element
     * @return 原来的元素ֵ
     */
    public E get(int index){
        rangeCheck(index);
        return elements[index];
    }
    /**
     * 设置index位置的元素
     * @param index
     * @param element
     * @return 原来的元素ֵ
     */
    public E set(int index, E element){
        rangeCheck(index);
        E old = elements[index];
        elements[index] = element;
        return old;
    }
    /**
     * 删除index位置的元素
     * @param index
     * @return
     */
    public E remove(int index){
        rangeCheck(index);
        // 0 1 2 3 4 5     (index)
        // 1 2 3 4 5 6     (原数组)
        // 删除index为2的元素，元素前移
        // 1 2 4 5 6    (remove后的数组)
        // 从前往后开始移, 用后面的元素覆盖前面的元素
        E old = elements[index];
        for (int i = index; i < size - 1; i++) {
            elements[i] = elements[i + 1];
        }
        elements[--size] = null; // 删除元素后, 将最后一位设置为null
        return old;
    }
    /**
     * 查看元素的索引
     * @param element
     * @return
     */
    public int indexOf(E element){
        /*
        // 不对 null 进行处理也可以，但是健壮性不够
        for (int i = 0; i < size; i++) {
            if(elements[i].equals(element)) return i;
        }
         */
        if(element == null){ // 对 null 进行处理
            for (int i = 0; i < size; i++) {
                if(elements[i] == null) return i;
            }
        }else{
            for (int i = 0; i < size; i++) {
                if(elements[i].equals(element)) return i;
            }
        }
        return ELEMENT_NOT_FOUND;
    }
    /**
     * 清除所有元素
     */
    public void clear(){
        // 使用泛型数组后要注意内存管理(将元素置null)
        for (int i = 0; i < size; i++) {
            elements[i] = null;
        }
        size = 0;
    }
    /**
     * 扩容操作
     */
    private void ensureCapacity(int capacity){
        int oldCapacity = elements.length;
        if(oldCapacity >= capacity) return;
        // 新容量为旧容量的1.5倍
        int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
        E[] newElements = (E[])new Object[newCapacity];
        for (int i = 0; i < size; i++) {
            newElements[i] = elements[i]; // 拷贝原数组元素到新数组
        }
        elements = newElements;
        System.out.println("size="+oldCapacity+", 扩容到了"+newCapacity);
    }
    /****************封装好的功能函数**************************/
    // 下标越界抛出的异常
    private void outOfBounds(int index) {
        throw new IndexOutOfBoundsException("Index:" + index + ", Size:" + size);
    }
    // 检查下标越界(不可访问或删除size位置)
    private void rangeCheck(int index){
        if(index < 0 || index >= size){
            outOfBounds(index);
        }
    }
    // 检查add()的下标越界(可以在size位置添加元素)
    private void rangeCheckForAdd(int index) {
        if (index < 0 || index > size) {
            outOfBounds(index);
        }
    }
    /****************封装好的功能函数***************************/
    @Override
    public String toString() {
        // 打印形式为: size=5, [99, 88, 77, 66, 55]
        StringBuilder string = new StringBuilder();
        string.append("size=").append(size).append(", [");
        for (int i = 0; i < size; i++) {
            if(0 != i) string.append(", ");
            string.append(elements[i]);
        }
        string.append("]");
        return string.toString();
    }
}

测试运行：

public static void main(String[] args) {
    ArrayList<Person> list = new ArrayList<>();
    
    list.add(new Person(10, "jack"));
    list.add(new Person(20, "rose"));
    list.add(null);
    list.add(null);
    
    System.out.println("add()添加元素: " + list);
    
    System.out.println("get()获取元素: " + list.get(0));
    
    list.set(0, new Person(99, "ghost"));
    System.out.println("set()设置元素值: " + list);
    
    list.remove(0);
    System.out.println("remove()删除元素: " + list);
    
    list.clear();
    System.out.println("clear()清空数组: " + list);
}
add()添加元素: size=4, [Person [age=10, name=jack], Person [age=20, name=rose], null, null]
get()获取元素: Person [age=10, name=jack]
set()设置元素值: size=4, [Person [age=99, name=ghost], Person [age=20, name=rose], null, null]
remove()删除元素: size=3, [Person [age=20, name=rose], null, null]
clear()清空数组: size=0, []

泛型动态数组源码（C++）

一时兴起写了个C++版本的动态数组。。。如果可以的话，希望后面的数据结构都可以用C++自己实现一遍。。（目前只写了这个）

#include<iostream>
using namespace std;
#define ELEMENT_NOT_FOUND -1;

template<typename E>
class Array
{
private:
    int m_size;        // 元素数量
    int m_capacity; // 数组容量
    E * m_elements;    // 指向首地址
    void outOfBounds(int index) {
        throw index;
    }
    void rangeCheck(int index);    // 检查下标(get,set)
    void rangeCheckForAdd(int index); // 检查下标(add)
    void ensureCapacity(int capacity); // 检查容量及扩容
public:
    Array(int capacity = 10);
    ~Array();
    int size(); // 元素的数量
    bool isEmpty(); // 是否为空
    int indexOf(E element); // 查看元素的位置
    bool contains(E element); // 是否包含某个元素
    E set(int index, E element); // 设置index位置的元素
    E get(int index); // 返回index位置对应的元素
    void add(int index, E element); // 往index位置添加元素
    void add(E element); // 添加元素到最后面
    E remove(int index); // 删除index位置对应的元素
    void clear(); // 清除所有元素
};
template<typename E>
void Array<E>::rangeCheck(int index) {
    if (index < 0 || index >= m_size)
        outOfBounds(index);
}
template<typename E>
void Array<E>::rangeCheckForAdd(int index) {
    if(index < 0 || index > m_size)
        outOfBounds(index);
}
template<typename E>
void Array<E>::ensureCapacity(int capacity) {
    int oldCapacity = m_capacity;
    if (oldCapacity >= capacity) return;
    // 新容量为旧容量的1.5倍
    int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
    E *newElements = new E[newCapacity];
    for (int i = 0; i < m_size; i++) {
        newElements[i] = m_elements[i];
    }
    delete[] m_elements; // 释放原空间
    m_elements = newElements;
    m_capacity = newCapacity;
    cout << oldCapacity << "扩容为" << newCapacity << endl;
}

template<typename E>
Array<E>::Array(int capacity) {
    m_capacity = (capacity < 10) ? 10 : capacity;
    m_elements = new E[m_capacity];
}
template<typename E>
Array<E>::~Array() {
    delete[] m_elements;
}
template<typename E>
int Array<E>::size(){
    return m_size;
}
template<typename T>
bool Array<T>::isEmpty() {
    return m_size == 0;
}
template<typename E>
int Array<E>::indexOf(E element) {
    for (int i = 0; i < m_size; i++) {
        if (m_elements[i] == element) return i;
    }
    return ELEMENT_NOT_FOUND;
}
template<typename E>
bool Array<E>::contains(E element) {
    return indexOf(element) != ELEMENT_NOT_FOUND;
}
template<typename E>
E Array<E>::set(int index, E element) {
    rangeCheck(index);
    E old = element;
    m_elements[index] = element;
    return old;
}
template<typename E>
E Array<E>::get(int index) {
    rangeCheck(index);
    return m_elements[index];
}
template<typename E>
void Array<E>::add(int index, E element) {
    rangeCheckForAdd(index);
    ensureCapacity(m_size + 1);
    // 0 1 2 3 4 5 
    // 1 2 3 5 6 7
    // index=3, element=4
    for (int i = m_size; i > index; i--) {
        m_elements[i] = m_elements[i-1];
    }
    m_elements[index] = element;
    m_size++;
}
template<typename E>
void Array<E>::add(E element) {
    add(m_size, element);
}
template<typename E>
E Array<E>::remove(int index) {
    rangeCheck(index);
    E old = m_elements[index];
    // 0 1 2 3 4 5 
    // 1 2 3 5 6 7
    // index=2
    for (int i = index; i < m_size; i++) {
        m_elements[i] = m_elements[i + 1];
    }
    m_elements[--m_size] = NULL;
    return old;
}
template<typename E>
void Array<E>::clear() {
    // m_elements = nullptr; // 不可行，直接清除了整个指针指向的地址
    for (int i = 0; i < m_size; i++) {
        m_elements[i] = NULL;
    }
    m_size = 0;
}

int main() {
    Array<int> array;
    
    for (int i = 0; i < 30; i++) {
        array.add(i);
    }
    
    cout << "array.set(0, 99): " << array.set(0, 99) << endl;
    cout << "array.remove(0): " << array.remove(0) << endl;
    cout << "array.isEmpty(): " << array.isEmpty()<< endl;
    cout << "array.cotains(5): " << array.contains(5) << endl;
    cout << "size = " << array.size() << endl;
    array.add(10, 99); 
    cout << "array.add(10, 99), size = " << array.size() << endl;

    for (int i = 0; i < array.size() ;  i++) {
        if (i != 0) {
            cout << ", ";
        }
        cout << array.get(i);
    }
}
10扩容为15
15扩容为22
22扩容为33
array.set(0, 99): 99
array.remove(0): 99
array.isEmpty(): 0
array.cotains(5): 1
size = 29
array.add(10, 99), size = 30
1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 99, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29
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