Java底层实现Array动态数组

Array 动态数组

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author 曲怪曲怪
Language Java

1、Array概述

  同数组不用,数组的大小在定义时已经确定,而在实际过程中数组需要根据数据量的大小自动更改数组大小。底层实现仍是数组,只是将数组进行封装,可以实现自适应的数组Array。

涉及的所有函数方法:

2、Array数组实现思路

  数组无非涉及增、查、改、删四种操作,查和改操作与平常数组操作相同。难点就在于增加元素和删除元素上。对于一般数组当索引index + 1 超过数组大小是就会报错。为了可以根据数据大小改变数组大小,引入capacity(容器)的概念。其中capacity >= size。如图

自定义数组

注: 实际上capacity才是真正数组的大小,size只是capacity中存储数据的多少。
下面分别说一下增删改查的的实现思路

2.1、增加元素

  如果增加后 size <= capacity 则直接将数据添加到数组中,如果增加后 size > capacity 则需要对数组进行扩容操作。扩容的方式也就是扩大为原来的2倍。

下面以在索引index=2,元素未5为例: 主要分为有无扩容的请况

1)增加元素-未扩容:

  1. 复制元素向后移动
  2. 插入元素到索引位置
增加元素-未扩容
**2)增加元素-扩容:** 1. 扩容为原来的2倍,将原数据复制到新数组 2. 将索引之后的元素向后移一位 3. 插入元素
增加元素-未扩容
  扩容的方式就是开辟一块原capacity的大小2倍的空间,然后将原数组的数据拷贝到新开辟的数组当中。 在头部和尾部增加元素对应 index = 0 和 index = size - 1

程序实现:

public void add(int index, E e) {
    if (size == data.length)
        resize(2 * data.length);  //开辟新空间

    if (index < 0 || index > size)
        throw new IllegalArgumentException("addLast failed, Required index < 0 || index > size");

    System.arraycopy(data, index, data, index + 1, size - index); // 向后移动一位
    data[index] = e;  // 增加元素
    size ++;  // 维护size
}

// 私有函数  开辟新空间
private void resize(int newCapacity) {
    E[] newData = (E[]) new Object[newCapacity];
    System.arraycopy(data, 0, newData, 0, size);  // 复制数组数据到新数组
    data = newData;
}

2.2、删除元素

  增加元素对应扩容,那么删除元素对应缩容,当删除元素后 size < capacity / 2的时候进行缩容。否则直接让对应位置等于 null 即可。

下面以删除索引为1的元素为例 : 主要分为有无缩容的请况

1)删除元素-未缩容的情况 :

  1. 将要删除元素后面的数据向前移一位
  2. 删除数据中最后一位的元素,索引为size(删除后size已经减 1)
删除元素-未缩容

2)删除元素-缩容的情况 :

  1. 将要删除元素后面的数据向前移一位
  2. 删除数据中最后一位的元素,索引为size(删除后size已经减 1)
  3. 进行缩容,将原数据复制到原数组大小一半的新数组中
删除元素-缩容

程序实现 :

public E remove(int index) {
    if (index < 0 || index >= size) {  //越界判断
        throw new IllegalArgumentException("delete failed, Required index < 0 || index >= size");
    }
    E temp = data[index];
    System.arraycopy(data, index+1, data, index, size-index-1); //向前移动一位
    size--;    //维护size的大小
    data[size] = null;  // 清空对应位置的数据
    if (size == data.length / 2 && data.length / 2 != 0)
        resize(data.length / 2);  //进行缩容操作
    return temp;  //返回被删除的元素
}

2.3、改变元素

改变元素不涉及扩容或者缩容,没有特别的地方,直接修改即可。

下面以set(2, 5)为例 :

改变元素
**代码实现:**
void set(int index, E e) {
    if (index < 0 || index >= size) {
        throw new IllegalArgumentException("get failed, Required index < 0 || index >= size");
    }
    data[index] = e;
}

2.4、查找元素

  查找元素分为三种,查找是否有这个元素,查找这个元素所在位置,根据索引返回元素这三种。
查找是否有这个元素和查找这个元素所在位置代码实现相似,一个找到了返回 true,一个找到了返回 index。
1)查找是否有这个元素

public boolean contains(E e){
    for (int i = 0; i < size; i++) {
        if (data[i].equals(e))
            return true;
    }
    return false;
}

2)查找这个元素所在位置

public int find(E e) {
    for (int i = 0; i < size; i++) {
        if (data[i].equals(e)) 
            return i;
    }
    return -1;
}

3、时间复杂度分析

1)增加元素的复杂度
  最好的情况是向最后的位置添加元素复杂度为 O(1) ,最坏的情况是向头添加元素,因为需要数据整体向后移动,复杂度为 O(N) ,根据均摊复杂度得出复杂度为 O(N/2) = O(N),也就是说增加元素的复杂度为 O(N)。但是这仅仅是考虑没有扩容的情况产生。但是对于扩容的也是遍历一边数组进行复制的操作,所以复杂度也为 O(N)。
综上所述增加操作的时间复杂度为 O(N)

方法复杂度
addFirst(e)O(1)
addLast(e)O(N)
add(index, e)O(N/2) = O(N)
resize(newCapacity)O(N)

2)删除元素的复杂度
  删除元素的时间复杂度同增加元素完全相同。一个扩容一个缩容,实现机理相似。也就是说删除操作的时间复杂度也是 O(N) 级别。

方法复杂度
removeFirst()O(1)
removeLast()O(N)
remove(index)O(N/2) = O(N)
resize(newCapacity)O(N)

3)修改元素复杂度
  修改操作利用了数组的优势,支持随机访问。也就是可以在 O(1)的复杂度的情况下完成操作。

方法复杂度
set(index, e)O(1)

3)修改元素复杂度
  修改操作对应三种情况,对于支持索引查找的get方法复杂为 O(1)。对于contain方法和find方法两者类似,需要遍历数组,最好的情况是在最开始就找到想要查找元素,最坏的情况是想要查找的元素在末尾,根据均摊复杂度,两者的复杂度为 O(N)。

方法复杂度
get(index)O(1)
contain(e)O(N)
find(e)O(N)

4、解决时间复杂度震荡的办法

  对于时间复杂度的震荡发生在扩容和缩容的边界。addLast()导致扩容,removeLast()导致缩容,在边界反复添加和删除操作会导致时间复杂度震荡。导致时间复杂度一直维持在O(N)级别。

改变元素
  产生的原因就是因为我们在 removeLst 的时候过于 Eager (激进),导致与 addLast() 的扩容操作相冲突,其实我们避开 / 2 和 * 2 就可以避免震荡问题,因此我在代码中将 removeLast 的 resize 触发改为 / 4.
public E remove(int index) {
    if (index < 0 || index >= size) {
        throw new IllegalArgumentException("delete failed, Required index < 0 || index >= size");
    }
    E temp = data[index];
    System.arraycopy(data, index+1, data, index, size-index-1);
    size--;
    data[size] = null;
    if (size == data.length / 4 && data.length / 2 != 0)  //解决复杂度震荡问题
        resize(data.length / 2);
    return temp;
}

5、Array具体实现函数

公有方法

getSize()    //获取数组大小
getCapacity() //获取数组容器
isEmpty()     //判断是否为空
addFirst(E e) // 向数组头添加元素
addLast(E e)      //向数组后添加元素
add(int index, E e)  //向index索引处增加元素
get(int index)  // 获取索引index处元素
set(int index, E e) // 修改索引index处为e
remove(int index)  // 删除元素,返回删除的元素
removeFirst()   //删除第一个元素,
removeLast()   //删除最后一个元素
removeElement(E e)   //删除某一个元素
removeAllElement(E e)   //删除所有元素e
contains(E e)  //判断数组是否包含元素e
find(E e)  // 查找元素e所在位置
toString()   //打印函数

私有方法

resize()  //重新定义数组大小

最后

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