一、数组（Array）
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数组是一种
顺序存储的线性表, 所有元素的内存地址都是连续的。int[] array = new int[]{11, 22, 33} 复制代码
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在很多编程语言中，数组有个致命的缺点， 无法动态修改容量。
实际开发中我们希望数组的容量是动态变化的。
二、动态数组（Dynamic Array）接口设计
- 创建
ArrayList类，创建size属性来管理数组中元素的个数， 创建elements属性来管理存取的数据。 - 可以对动态数组进行
增删改查操作。
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public class ArrayList<E> {
private int size;
private E[] elements;
// 元素的数量
int size();
// 是否为空
boolean isEmpty();
// 是否包含某个元素
boolean contains(E element);
// 添加元素到最后面
void add(E element);
// 返回index位置对应的元素
E get(int index);
// 设置index位置的元素
E set(int index, E element);
// 往index位置添加元素
void add(int index, E element);
// 删除index位置对应的元素
E remove(int index);
// 查看元素的位置
int indexOf(E element);
// 清除所有元素
void clear();
}
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三、动态数组的实现
1、构造方法
- 如果构建的数组空间小于默认空间，则会以默认空间构建数组。
public class ArrayList<E> {
private int size;
private E[] elements;
// 设置elements数组默认的初始化空间
private static final int CAPACITY_DEFAULT = 10;
public ArrayList(int capacity) {
capacity = capacity < CAPACITY_DEFAULT ? CAPACITY_DEFAULT : capacity;
elements = (E[]) new Object[capacity];
}
// 便利构造器
public ArrayList() {
this(CAPACITY_DEFAULT);
}
}
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2、添加元素
- 数组添加元素分为
在最后一个元素的后面添加新元素和将元素插入到某个位置（非最后面）两种情况。 - 第一种情况，这个
新元素需要添加到的索引等于当前数组元素的个数，在ArrayList中size属性就是当前数组元素的个数，所以就是将新元素添加到数组的size位置上，然后size加1。
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public void add(int index, E element) {
elements[index] = element;
size++;
}
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- 如果是第二种情况，只需要将插入位置后面的元素
向后移动即可。 - 注意：需要从后向前移动元素，如果从前向后移动元素，那么会进行元素覆盖, 最后出错。
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2.1、数组越界
- 添加元素，还要注意传入的索引不能越界，即
不能小于0, 也不能大于size。
private void rangeCheckForAdd(int index) {
if (index < 0 || index > size) {
outOfBounds(index);
}
}
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2.2、数组扩容
- 由于数组
elements最大的容量只有10，所以当数组存满元素时，就需要对数组进行扩容。 - 因为数组是无法动态扩容的，所以需要创建一个
新的数组，这个数组的容量要比之前数组的容量大。 - 然后在将原数组中的元素存放到新数组中，这样就实现了数组的扩容。
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private void ensureCapacity() {
// 获取数组当前容量
int oldCapacity = elements.length;
// 如果 当前存储的元素个数 < 当前数组容量, 直接返回
if (size < oldCapacity) return;
// 新数组的容量为原数组容量的1.5倍
int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
// 创建新数组
E[] newElements = (E[]) new Object[newCapacity];
// 原数组中的元素存储到新数组中
for (int i = 0; i < size; i++) {
newElements[i] = elements[I];
}
// 引用新数组
elements = newElements;
}
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- 实现
add函数，需要在添加新元素之前，判断数组越界和扩容。
public void add(int index, E element) {
//判断越界
rangeCheckForAdd(index);
//判断扩容
ensureCapacity(size + 1);
for (int i = size; i > index; i--) {
elements[i] = elements[i - 1];
}
elements[index] = element;
size++;
}
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- 最终
在最后一个元素的后面添加新元素，即添加元素到尾部的实现方式如下
public void add(E element) {
add(size, element);
}
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3、删除元素
- 删除元素，实际上就是去掉
指定位置的元素，并将后面的元素向前移动。 - 如下图，当删除索引为
3的元素时，只需要将后面的元素向前移动，然后在去掉最后一个元素，size减1即可。
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3.1、数组越界
- 删除元素时传入的索引不能越界, 即
不能小于0, 也不能大于等于size
所以我们在删除元素之前需要先进行索引检查。
private void outOfBounds(int index) {
throw new IndexOutOfBoundsException("Index:" + index + ", Size:" + size);
}
private void rangeCheck(int index) {
if (index < 0 || index >= size) {
outOfBounds(index);
}
}
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3.2、数组缩容
- 当数组中的元素删除后，数组剩余的空间可能会很大，这样就会造成
内存的浪费。 - 所以当数组中元素删除后，我们需要对数组进行
缩容。 - 实现方法类似于扩容，当数组中容量小于某个值时，创建新的数组，然后将原有数组中的元素
存入新数组即可。
public void trim() {
// 获取当前数组的容量
int capacity = elements.length;
// 当size大于等于容量的一半, 或则容量已经小于默认容量(10)时, 直接返回
if (size >= capacity >> 1 || capacity < CAPACITY_DEFAULT) return;
// 计算新的容量 = 原有容量的一半
int newCapacity = capacity >> 1;
// 创建新数组
E[] newElements = (E[]) new Object[newCapacity];
// 将原数组元素存入新数组
for (int i = 0; i < size; i++) {
newElements[i] = elements[I];
}
// 引用新数组
elements = newElements;
}
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- 最终,
remove方法实现如下
public E remove(int index) {
// 判断索引是否越界
rangeCheck(index);
// 取出需要删除的元素
E old = elements[index];
// 通过循环, 将index后面的所有元素向前移动一位
for (int i = index + 1; i < size; i++) {
elements[i - 1] = elements[I];
}
// 删除最后一个元素
elements[--size] = null;
// 判断数组是否需要缩容
trim();
// 将删除的元素返回
return old;
}
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4、清空数组
- 清空数组时，需要将所有的元素置为
null，只有这样才能真正的释放对象，然后size置为0。
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public void clear() {
// 清空存储的数据
for (int i = 0; i < size; i++) {
elements[i] = null;
}
// 将size置为0
size = 0;
}
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5、修改元素
- 修改元素时，只需要将原有位置的元素
替换掉即可，同样需要注意一下索引是否越界。
public E set(int index, E element) {
// 判断索引是否越界
rangeCheck(index);
// 取出被替换元素
E oldElement = elements[index];
// 替换元素
elements[index] = element;
// 返回被替换元素
return oldElement;
}
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6、查询元素
- 查询元素，只需要将指定索引的元素返回，注意索引是否
越界即可。
public E get(int index) {
rangeCheck(index);
return elements[index];
}
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7、查看元素位置
- 可以通过循环, 查找元素在数组中的位置。
- 注意：假如数组中可以存储
null，而null是不能调用equals方法的，所以需要对传入的元素进行判断，如果查找的元素是null，需要单独处理。 - 当元素存在时返回索引，否则返回变量
ELEMENT_ON_FOUND的值。
private static final int ELEMENT_NOT_FOUND = -1;
public int indexOf(E element) {
if (element == null) {
for (int i = 0; i < size; i++) {
if (elements[i] == null) return I;
}
} else {
for (int i = 0; i < size; i++) {
if (element.equals(elements[i])) return I;
}
}
return ELEMENT_NOT_FOUND;
}
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8、是否包含某元素
- 只需通过判断索引是否等于
ELEMENT_ON_FOUND即可。
public boolean contains(E element) {
// 查看元素的索引是否为ELEMENT_ON_FOUND即可
return indexOf(element) != ELEMENT_ON_FOUND;
}
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9、元素的数量
- size的值，即为元素的数量。
public int size() {
return size;
}
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10、数组是否为空
- 通过判断
size的值是否为0即可。
public boolean isEmpty() {
return size == 0;
}
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11、动态数组打印
- 可以重写
toString方法, 来打印ArrayList中的元素。
@Override
public String toString() {
StringBuilder string = new StringBuilder();
string.append("size = ").append(size).append(", [");
for (int i = 0; i < size; i++) {
if (i != 0) {
string.append(",");
}
string.append(elements[I]);
}
string.append("]");
return string.toString();
}
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到此为止，我们成功的实现了动态数组。
四、动态数组的复杂度
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五、ArrayList能否进一步优化？
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- 在ArrayList中，如果要删除索引
0位置的元素，则需要将索引0之后的元素全部往前移一位。 - 如果要在索引
0位置添加元素，也需要将索引0及之后的元素全部往后移一位。
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- 在ArrayList中增加一个记录首元素位置的属性。
- 删除索引
0位置的元素，我们只需要将first属性改为1。 - 在索引
0位置添加元素，则只需要将first属性改为0。
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- 如果继续往前插入元素，则将插入的元素存放在索引
8这个位置，并将first改为8。 - 当要获取索引
8下一个元素时，对索引取摩，则拿到索引0位置的元素。
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- 如果插入元素，则可选择挪动前半段数据或后半段数据。
- 在索引
2处插入元素99，可以选择将元素22，33左移，然后插入99即可。 -
扩容和缩容同样可以优化。
