文章目录

数组概念
Java中的数组
Java语言实现数组类
- 设计一个静态整型数组类
- 实现泛型
- 设计一个动态泛型数组类

数组概念

所谓数组，是有序的元素序列。若将有限个类型相同的变量的集合命名，那么这个名称为数组名。
在数据结构中，数组是一种线性表，就是数据排列成一条直线一样的结构。在内容空间中，数组的表现是一块连续的内存和储存有相同的数据类型。正因为这个特性，数组可以实现通过索引下标，在O(1)的时间复杂度内快速检索某个数据，这就是“随机访问”。但是由于内存空间是连续的，所以数组在进行插入和删除操作时，就需要对数据进行维护，进行大量的数据搬移工作。

Java中的数组

Java中的基础数组是一种静态数组，在创建的时候空间就是固定的，后期无法进行扩容或者缩容。
其创建方法如下
int[] arr = new int[10]; //创建一个容量为10的int型数组
String[] strArr = new String[10] //创建一个容量为10的字符串数组;

基础数组其实并不符合数据结构中对于数组的定义，因为基础数组无法自动扩容和缩容。
在JDK中，其实也实现了可以动态扩容的数组，比如常用的java.util.ArrayList这个类，就是一个动态的泛型数组类。

泛型：泛型是程序设计语言的一种特性。允许程序员在强类型程序设计语言中编写代码时定义一些可变部分，那些部分在使用前必须作出指明。比如在ArrayList类中，我们实例化的时候，需要指定存储的数据类型，这个类本身是可以接收实例化时指定的任意数据类型（基础数据类型除外，只能使用基础数据类型的包装类）。

Java语言实现数组类

在本文中，我们将从数据的设计开始，抛弃JDK已经实现的ArrayList类，重新通过Java语言实现一个数组的数据结构类，从底层理解这个数据结构的原理与思想。

设计一个静态整型数组类

首先，我们先设计一个静态的数组，以int数组为例。不考虑扩容，先从最简单的类来理解数组的基本功能。
数组可以表示为下图：

上图代表一个容量为7，里面每个空间存储了一个int类型的 1 ，这样一个数组。
数组最大的优点就是通过索引值快速查询数据，比如array[2]可以快速查询到第三个空间中的数据 1 。根据这个优点，我们可以想到，数组比较适合存储索引有语义的数据，比如成绩单这种，我们把名次当做索引，分数当做数据用一个数组存储起来，就可以快速获取某个名次的分数。

按照这个数组，我们可以设计一个数组类，首先设计好数组的功能：

要能获取数组中的数据个数。
要能获取数组的容量。
要能判断数组是否为空。
要能向数组中插入元素
要能从数组中查询元素
要能从数组中删除元素

根据上述功能，我们先进行代码的编写实现这个类的前三个功能：获取元素个数，获取数组容量，判断数组是否为空(在后续的代码中，我们将省略Java的包名，直接对类的主体进行展示)：

public class Array {private int[] data; // 定义一个基础数组，用来存放数据。private int size;  // 用记录数组中的数据个数。// 构造函数，实例化的时候需要指定一个容量capacity对数组进行初始化public Array(int capacity) {data = new int[capacity];size = 0;}// 无参构造，实例化时不指定容量将默认为10public Array() {this(10);  // 调用有参构造函数}// 获取数组中元素的个数public int getSize() {return size;}// 获取数组的容量public int getCapacity() {return data.length;  // 这里不可以直接return capacity，因为capacity不是成员变量。}// 判断当前数组是否为空public boolean isEmpty() {return size == 0;}}

到这里，我们已经封装了一个Array数组类，实现了一部分基础功能，下面我们将实现向数组中添加元素的功能。向数组中添加元素的原理如下图所示：

我们想把77这样一个元素插入到索引为1的位置上，作为数组这样一种数据类型来讲，要想在数组中间插入元素，需要将插入位置开始的元素，全部向后面移动一个位置，这是数组的性质。

如上图所示，我们需要将88，99，100三个元素从索引1，2，3的位置，挪动到索引2，3，4位置上，再将77插入到索引1的位置上。
在这一过程中，我们需要注意的点有以下几点：

数组的容量是否已满，如果数组已经满了，就没有办法向后挪动，再插入元素了。
插入的位置一定是数组的有效位置。理解size和data.length的区别，一个是用户能看到的长度，一个是数组的容量，data.length 减 size这一部分的元素，用户是看不到的，我们对用户屏蔽。
每次插入后，数组的size指针需要进行维护，向后移动一个距离，代表元素数+1.

我们将这一过程变成代码（针对某一个函数，我们只展示该函数的代码块，在章节末尾再将所有代码整合进类中，以此减少文章的行数，更有利于阅读）：

public class Array {// 向数组中索引为index的位置插入一个元素public void add(int index, int e) {// 如果数组已经满了，就抛出异常，添加失败if(size == data.length)  throw new IllegalArgumentException("Array is full.");// 如果索引值小于0或者索引值大于了数组元素的个数，抛异常if (index < 0 || index > size) throw new IllegalArgumentException("Wrong index.");// 将index位置开始的元素向后移动一格for (int i = size - 1 ; i >= index ; i--) data[i + 1] =data[i];// 将e插入到index索引位上data[index] = e;// 维护元素个数+1size ++;}// 一个将元素e快速插入数组头部方法public void addFirst(int e) {add(0, e);}// 一个将元素e快速插入数组尾部的方法public void addLast(int e) {add(size, e);}}

至此，我们完成了数组添加元素的操作，下面我们来完成从数组中查询和修改元素的操作：

查询索引为index位置的元素：根据数组的性质，直接返回data[index]的值就可以。
查询元素e是否存在在数组中：数组中查询是否存在元素e，就需要对数组进行遍历。
修改索引为index位置的元素：直接将data[index]进行更新即可，这是java基础数组的操作方法。
从索引为index位置删除元素：该操作和插入元素可以看做是相反的操作，我们将一个元素删除，其实就是将index之后的元素前移一位，index位置的元素就被覆盖掉了。操作后对size进行维护，size–。

代码实现：

public class Array {// 查询索引为index位置的元素epublic int get(int index) {// 如果索引值小于0或者索引值大于了数组元素的个数，参数不合法，抛异常if (index < 0 || index > size) throw new IllegalArgumentException("Wrong index.");return data[index];}// 查询数组中是否存在元素epublic boolean isExist(int e) {for (int i = 0; i < size; i++) {if (data[i] == e)return true;}return false;}// 查询元素e在数组中的位置public int findIndex(int e) {for (int i = 0; i < size; i++) {if (data[i] == e) return i;}// 没有找到元素e就返回-1return -1;}// 从数组中移除索引为index位置的元素，并将该元素返回public int remove(int index) {if (index < 0 || index > size) throw new IllegalArgumentException("Wrong index");// 记录data[index]元素，最后返回变量retint ret = data[index];// 从index+1开始往前覆盖数组for (int i = index + 1; i < size; i++) data[i-1] = data[i];size --;return ret;}// 一个快速删除头部元素的方法public int removeFirst() {remove(0);}// 一个快速删除尾部元素的方法public int removeLast() {remove(size);}// 从数组中删除元素epublic void removeElement(int e) {int index = findIndex(e);if (index != -1) remove(index);}}

OK！写到这里，我们就完成了这个数组类的所有基础功能，当然这些功能有一些可能在实际中并不常用，我们在学习的时候还是以了解底层实现思想为主，就写的比较详细。
最后，我们将重写一下toString函数，来完成数组的输出功能：

public class Array {@Overridepublic String toString() {StringBuilder res = new StringBuilder();res.append(String.format("Array: size = %d, capacity = %d\n", size, data.length));res.append('[');for (int i = 0; i < size - 1; i++) {res.append(data[i]);if (i != size) res.append(", ");}res.append(']');return res.toString();}}

好了，我们将所有代码整合起来，就完成了我们通过Java代码实现的一个静态int型数组，代码如下：

public class Array {private int[] data; // 定义一个基础数组，用来存放数据。private int size;  // 用记录数组中的数据个数。// 构造函数，实例化的时候需要指定一个容量capacity对数组进行初始化public Array(int capacity) {data = new int[capacity];size = 0;}// 无参构造，实例化时不指定容量将默认为10public Array() {this(10);  // 调用有参构造函数}// 获取数组中元素的个数public int getSize() {return size;}// 获取数组的容量public int getCapacity() {return data.length;  // 这里不可以直接return capacity，因为capacity不是成员变量。}// 判断当前数组是否为空public boolean isEmpty() {return size == 0;}// 向数组中索引为index的位置插入一个元素public void add(int index, int e) {// 如果数组已经满了，就抛出异常，添加失败if(size == data.length)  throw new IllegalArgumentException("Array is full.");// 如果索引值小于0或者索引值大于了数组元素的个数，抛异常if (index < 0 || index > size) throw new IllegalArgumentException("Wrong index.");// 将index位置开始的元素向后移动一格for (int i = size - 1 ; i >= index ; i--) data[i + 1] =data[i];// 将e插入到index索引位上data[index] = e;// 维护元素个数+1size ++;}// 一个将元素e快速插入数组头部方法public void addFirst(int e) {add(0, e);}// 一个将元素e快速插入数组尾部的方法public void addLast(int e) {add(size, e);}// 查询索引为index位置的元素epublic int get(int index) {// 如果索引值小于0或者索引值大于了数组元素的个数，参数不合法，抛异常if (index < 0 || index > size) throw new IllegalArgumentException("Wrong index.");return data[index];}// 查询数组中是否存在元素epublic boolean isExist(int e) {for (int i = 0; i < size; i++) {// 泛型类中的值比较需要用equals方法if (data[i].equals(e))return true;}return false;}// 查询元素e在数组中的位置public int findIndex(int e) {for (int i = 0; i < size; i++) {// 泛型类中的值比较需要用equals方法if (data[i].equals(e)) return i;}// 没有找到元素e就返回-1return -1;}// 从数组中移除索引为index位置的元素，并将该元素返回public int remove(int index) {if (index < 0 || index > size) throw new IllegalArgumentException("Wrong index");// 记录data[index]元素，最后返回变量retint ret = data[index];// 从index+1开始往前覆盖数组for (int i = index + 1; i < size; i++) data[i-1] = data[i];size --;return ret;}// 一个快速删除头部元素的方法public int removeFirst() {return remove(0);}// 一个快速删除尾部元素的方法public int removeLast() {return remove(size);}// 从数组中删除元素epublic void removeElement(int e) {int index = findIndex(e);if (index != -1) remove(index);}@Overridepublic String toString() {StringBuilder res = new StringBuilder();res.append(String.format("Array: size = %d, capacity = %d\n", size, data.length));res.append('[');for (int i = 0; i < size - 1; i++) {res.append(data[i]);if (i != size) res.append(", ");}res.append(']');return res.toString();}}

最后我们创建一个测试用例来测试一下我们自己实现的Array类：


public class Main {public static void main(String[] args) {Array arr = new Array(8);// 从数组尾部依次插入0-7for (int i = 0; i < 8; i++) {arr.addLast(i);}System.out.println(arr.toString());arr.remove(5);System.out.println(arr.toString());arr.removeElement(2);System.out.println(arr.toString());}}

输出结果为：

可以看到，我们这个数组成功实现了插入，指定位置移除与指定元素移除的操作。
静态数组的讲解到此就结束了。

实现泛型

我们前文所创建的Array类是一个只能存储int元素的数组，如果我们想要存储String类型呢？
此时，Java中的泛型机制就可以很好的帮助到我们。泛型的写法很简单，只需要在类名后面加上<>，尖括号中填写任意一个大写字符，比如一般写成，就是声明一个泛型类。此时，E表示的就是派生自Object的任意类。我们在实例化该类时，就需要指定存储的数据类型。（所以此时无法输入基本数据类型如int，只能使用包装类Integer。）
需要注意的是，在泛型类中，由于有些类无法使用 == 的方式对值进行相等比较（比如对象的引用），在isExist()和findIndex()函数中，我们需要用equals方法进行值的比较：

data[i].equals(e)

我们将上文的Array类的一部分代码拿出来作为示例，将它泛型化，相信大家可以很快的理解泛型类的实现。

public class Array<E> { //泛型private E[] data; // 定义一个存储E类型元素的数组，用来存放数据。private int size;  // 用记录数组中的数据个数。// 构造函数public Array(int capacity) {// 由于JAVA中不支持泛型数组，我们需要用对Object数组造型的方法来达到泛型的目的data = (E[])new Object[capacity];size = 0;}// 向数组中索引为index的位置插入一个元素epublic void add(int index, E e) {if(size == data.length)  throw new IllegalArgumentException("Array is full.");if (index < 0 || index > size) throw new IllegalArgumentException("Wrong index.");for (int i = size - 1 ; i >= index ; i--) data[i + 1] =data[i];data[index] = e;size ++;}}

我们可以看到，此时我们将int e，这样一种传入参数，全部用E e来替换，这就是泛型类的使用方法。
学会了使用泛型类，下面我们就将数组这样的一种数据结构完整的实现——加入扩容机制。

设计一个动态泛型数组类

之前我们提到过，JDK中已经实现了一个ArrayList这样一个泛型类，平时工作与学习我们可以直接拿来使用。但在本章节中，作为学习，我们将亲自动手设计并实现一个动态数组，来学习数据结构的底层实现。

Java中的数组，其实没有真正意义上的动态性，我们只能通过自己的方法来实现这样一种效果。最直观和最实用的方法，就是当我们当前的数组容量装满之后，我们新创建一个新的数组，新数组的容量是之前旧数组的x倍，再将旧的数组元素全部拷贝到新数组中，后面我们丢弃旧的数组，维护新的数组就可以。其实JDK中很多的类都使用了这一思想，比如说常用的ArrayList和HashMap。
按照这种思想，我想大家其实已经有了一定的思路，我们只需要给前文完成的静态数组添加进一个扩容函数，每当数组满了，就新建数组拷贝数据，就完成了动态数组的功能。

首先，我们给数组设计一个扩容函数resize();


public class ArrayList<E> {private E[] data; // 定义一个基础数组，用来存放数据。private int size;  // 用记录数组中的数据个数。// 数组扩容系数，当数组的元素个数大于等于数组的容量*系数时，进行扩容private double resizeRatio = 0.75; // 扩容方法，对数组进行扩容，该方法对用户屏蔽，所以私有private void resize(int newCapacity) {E[] newData = (E[])new Object[newCapacity];for (int i = 0; i < size; i++) newData[i] = data[i]; // 拷贝数据// 将对象的引用更新，此时指针指向了新数组的内存地址data = newData;  }}

扩容方法写好之后，我们就可以改写我们的插入方法，在之前的静态数组中，如果数组满了，我们就报错。有了扩容方法之后，数组满了我们就扩容，再进行插入操作。改写后的插入方法如下：


public class ArrayList<E> {private E[] data; // 定义一个基础数组，用来存放数据。private int size;  // 用记录数组中的数据个数。// 数组扩容系数，当数组的元素个数大于等于数组的容量*系数时，进行扩容private double resizeRatio = 0.75; // 向索引index位置插入一个元素epublic void add(int index, E e) {// 索引不合法就报错if (index > size || index < 0) throw new IllegalArgumentException("Wrong index");// 如果数组满足：已存元素个数等于元素容量*系数，就扩容，新数组容量为之前的2倍if (size == (int)(data.length*resizeRatio)) resize(2 * data.length);// 继续进行插入操作for (int i = size - 1; i >= index; i--) {data[i+1] = data[i];}data[index] = e;size ++;}// 扩容方法，对数组进行扩容，该方法对用户屏蔽，所以私有private void resize(int newCapacity) {E[] newData = (E[])new Object[newCapacity];for (int i = 0; i < size; i++) newData[i] = data[i]; // 拷贝数据// 将对象的引用更新，此时指针指向了新数组的内存地址data = newData;  }}

完成插入操作之后，相信大家对动态数组的实现思想有了一定的了解，而查询、修改与删除操作，在动态数组中，其实与静态数组没有什么不同。为了更高效利用空间，我们可以在删除元素后，对数组进行缩容，来节约内容空间。动态数组类的全部代码如下：


public class ArrayList<E> {private E[] data; // 定义一个基础数组，用来存放数据。private int size;  // 用记录数组中的数据个数。// 数组扩容系数，当数组的元素个数大于等于数组的容量*系数时，进行扩容private double resizeRatio = 0.75; public ArrayList() {this(10);// TODO Auto-generated constructor stub}public ArrayList(int capacity) {data = (E[])new Object[capacity];size = 0;}public int getSize() {return size;}public int getCapacity() {return data.length;}public boolean isEmpty() {return (size == 0);}// 向索引index位置插入一个元素epublic void add(int index, E e) {// 索引不合法就报错if (index > size || index < 0) throw new IllegalArgumentException("Wrong index");// 如果数组满足：已存元素个数等于元素容量*系数，就扩容，新数组容量为之前的2倍if (size == (int)(data.length*resizeRatio)) resize(2 * data.length);// 继续进行插入操作for (int i = size - 1; i >= index; i--) {data[i+1] = data[i];}data[index] = e;size ++;}// 扩容方法，对数组进行扩容，该方法对用户屏蔽，所以私有private void resize(int newCapacity) {E[] newData = (E[])new Object[newCapacity];for (int i = 0; i < size; i++) newData[i] = data[i]; // 拷贝数据// 将对象的引用更新，此时指针指向了新数组的内存地址data = newData;  }public void addFirst(E e) {add(0, e);}public void addLast(E e) {add(size, e);}public E get(int index) {if (index < 0 || index > size) throw new IllegalArgumentException("Wrong index");return data[index];}public void set(int index, E e) {if (index < 0 || index > size) throw new IllegalArgumentException("Wrong index");data[index] = e;}// 查询数组中是否存在元素epublic boolean  isExist(E e) {for (int i = 0; i < size; i++) {if (data[i].equals(e)) {return true;}}return false;}// 查询元素e在数组中的位置public int findIndex(E e) {for (int i = 0; i < size; i++) {if (data[i].equals(e) ) {return i;}}return -1;}// 从数组中移除索引为index位置的元素，并将该元素返回// 缩容后，如果数组元素个数满足条件，就进行缩容public E remove(int index) {if (index < 0 || index > size) throw new IllegalArgumentException("Remove failed");E ret = data[index];for (int i = index + 1; i < size; i++) {data[i-1] = data[i];}size --;data[size] = null;// 如果数组的空间有一半没用就缩容为原来的1/2if (size == data.length / 2) resize(data.length/2);return ret;}public E removeFirst() {return remove(0);}public E removeLast() {return remove(size - 1);}public void removeElement(E e) {int index = findIndex(e);if (index != -1) remove(index);}@Overridepublic String toString() {// TODO Auto-generated method stubStringBuilder res = new StringBuilder();res.append(String.format("Array: size = %d, capacity = %d\n", size, data.length));res.append('[');for (int i = 0; i < size; i++) {res.append(data[i]);if (i != size -1) {res.append(", ");}}res.append(']');return res.toString();}}

最后，我们写一个测试用例来对我们实现的动态数组类进行测试：


public class Main {public static void main(String[] args) {ArrayList<Integer> arr = new ArrayList<Integer>(8);// 从数组尾部依次插入0-6for (int i = 0; i < 6; i++) {arr.addLast(i);}System.out.println(arr.toString());arr.addLast(6);System.out.println(arr.toString());}}

执行结果：

可以看到，数组自动进行了容量的扩充。

至此，我们数组这样一种数据结构在Java中的实现，就已经讲解完成，祝大家学习愉快。

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