算法入門 – 動態數組的實現（Java版本）
靜態數組
Java中最基本的數組大家肯定不會陌生：
int[] array = new int[6];
for (int i = 0; i < array.length; i++){
array[i] = 2 * i + 1;
}
通過循環把元素放入指定的位置中，類似於這樣（圖用 WPS 順手拖的，先湊合著看下，意思應該到位了😂 ）：
這是一個靜態數組，因為我們在第一步初始化的時候就已經固定了它的長度，後面再也無法改變。所以，由於有這個限制，靜態數組不適用於那些不確定儲存多少數據的場景。
但是如果數組滿了，能否再新建一個更長一些的數組，把原數組這些元素再轉移到新數組中呢？這樣一來，數組就可以繼續使用了。按照這個思路，我們就可以創建基於靜態數組的動態數組。
動態數組的實現原理
「動態」主要體現在以下幾方面：
1.添加元素
不局限於只在數組末尾添加，而是能夠隨意選擇索引位置(只要不超過數組長度)。例如在索引為1處添加元素4：
從圖中可以看出，需要將index處及右側的元素依次向右移動一個單位（從末位元素開始），最後用新增元素覆蓋index處元素。
2.刪除元素
同添加元素，也可根據索引進行選擇。例如刪除索引為0處的元素3：
刪除元素移動元素的方向與添加元素正好相反，從index處開始，直接使用後一位元素覆蓋前一位元素，最後將末位元素置為null。
3.數組擴容
數組一旦裝滿元素，可觸發數組擴容，即新建一個更長的數組，將原數組元素轉移到新數組中，並將引用指向新數組，完成數組的變更；
4.數組縮減
如果數組元素相對總容量來說過少(例如數組元素個數小於數組容量的1/4)，便可觸發數組縮減，即新建一個更短的數組，並轉移元素至新數組。
代碼實現
以下通過新建一個 Array 類，依次實現這幾個重要功能：
public class Array<E> {
private E[] data; // 使用靜態數組存放數組元素
private int size; // 記錄數組元素數量
public Array(int capacity) {
this.data = (E[]) new Object[capacity];
this.size = 0;
}
public Array() {
this(10); // 默認capacity為10
}
// 數組擴容/縮減
public void resize(int newCapacity) {
// 新數組長度必須大於0
if (newCapacity < 0) throw new IllegalArgumentException("capacity must > 0!");
// 創建新數組
E[] newData = (E[]) new Object[newCapacity];
// 將原數組元素放入新數組中
for (int i = 0; i < size; i++) {
newData[i] = data[i];
}
// 將引用指向新數組
data = newData;
}
/**
* 在指定位置添加元素
* 指定位置處的元素需要向右側移動一個單位
* @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!");
// 數組滿員觸發擴容
if (size == data.length) {
resize(2 * data.length); // 擴容為原數組的2倍
}
// 從尾部開始，向右移動元素，直到index
for (int i = size - 1; i >= index; i--) {
data[i + 1] = data[i];
}
// 添加元素
data[index] = element;
size++;
}
// 數組頭部添加元素
public void addFirst(E element) {
add(0, element);
}
// 數組尾部添加元素
public void addLast(E element) {
add(size, element);
}
/**
* 刪除指定位置元素
* 通過向左移動一位，覆蓋指定位置處的元素，實現刪除元素(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!");
// 數組長度為0時拋出異常
if (size == 0) throw new IllegalArgumentException("Empty array!");
E removedElement = data[index];
// 向左移動元素
for (int i = index; i < size - 1; i++) {
data[i] = data[i + 1];
}
// 將尾部空閑出的位置置為空，釋放資源
data[size - 1] = null;
size--;
// size過小觸發數組縮減
if (size == data.length / 4 && data.length / 2 != 0) resize(data.length / 2);
return removedElement;
}
// 刪除頭部元素
public E removeFirst() {
return remove(0);
}
// 刪除尾部元素
public E removeLast() {
return remove(size - 1);
}
// 重寫Override方法，自定義數組顯示格式
@Override
public String toString() {
StringBuilder str = new StringBuilder();
// 顯示數組的整體情況(長度、總容量)
str.append(String.format("Array: size = %d, capacity = %d\n[", size, data.length));
// 循環添加數組元素至str
for (int i = 0; i < size; i++) {
str.append(data[i]);
if (i < size - 1) str.append(", ");
}
str.append("]");
return str.toString();
}
}
接下來我們測試一下這個數組的使用情況：
public static void main(String[] args) {
// 添加10個元素
Array<Integer> arr = new Array<>();
for (int i = 0; i < 10; i++)
arr.add(i, i);
// 查看數組當前狀態
System.out.println(arr);
// 繼續添加元素，觀察是否擴容
arr.add(arr.size, 7);
System.out.println(arr);
// 再刪除6個元素，觀察是否縮減
for (int i = 0; i < 6; i++) {
System.out.println("元素" + arr.removeFirst() + "已被刪除！");
}
System.out.println(arr);
}
/*
輸出結果：
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已被刪除！
元素1已被刪除！
元素2已被刪除！
元素3已被刪除！
元素4已被刪除！
元素5已被刪除！
Array: size = 5, capacity = 10
[6, 7, 8, 9, 7]
*/
可以看到，當數組滿員後，繼續添加元素可以成功觸發數組擴容；而當數組元素過少時，也會觸發縮減。
再實現幾個常用方法來完善我們的動態數組類：
// 獲取數組長度
public int getSize() {
return size;
}
// 獲取數組總容量
public int getCapacity() {
return data.length;
}
// 判斷數組是否為空
public boolean isEmpty() {
return getSize() == 0;
}
// 查找指定元素在數組中的位置
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;
}
// 判斷指定元素是否在數組中
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];
}
// 查找頭部元素
public E getFirst() {
return get(0);
}
// 查找尾部元素
public E getLast() {
return get(getSize() - 1);
}
// 設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;
}
/**
* 按照元素值刪除
* 只刪除數組中第一個元素值與指定值相等的元素
* @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;
}
/**
* 按照元素值刪除
* 刪除數組中所有值與指定值相等的元素
*
* @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;
}
從外部調用者的角度，無法覺察到其中的數組變更操作，感覺就是一個動態數組，但是由於擴容和縮減操作均需要新建數組，並且遍歷原數組，會導致過多的開銷，所以從性能上來說，並不是好的解決方案。後面我們將學習更加高效的數據結構。
