Java|Java 动态数组的实现示例 Java动态数组的实现示例

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：

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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：

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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：

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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；

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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。

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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 = https://www.it610.com/article/(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0if (newCapacity < 0) throw new IllegalArgumentException("capacity must > 0!"); // 创建新数组E[] newData = https://www.it610.com/article/(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indexfor (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*/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@Overridepublic 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strfor (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 IllegalArgumentException("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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