Java 动态数组的实现示例

Java 动态数组的实现示例

目录静态数组动态数组的实现原理1.添加元素2.删除元素3.数组扩容4.数组缩减

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 {

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

http:// */

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 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 IllegalArguhttp://mentException("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。

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