动态扩容数组

什么是数据结构？
线性表
数组（Array）
动态数组（Dynamic Array）
- 动态数组接口设计
- 清除所有元素 - clear()
- 添加元素 - add(E element)、add(int index, E element)
- 删除元素 - remove(int index)、清空数组 - clear()
- 是否包含某个元素 - contains(E element)
- 扩容 - ensureCapacity(int capacity)
- 打印数组（toString）
泛型
- 对象数组 - Object[]
int型动态数组源码（Java）
泛型动态数组源码（Java）
泛型动态数组源码（C++）

数据结构与算法笔记目录：《恋上数据结构》笔记目录

本章源码：恋上数据结构源码 - 动态数组

什么是数据结构？

数据结构是计算机存储、组织数据的方式；

在实际应用中，根据使用场景来选择最合适的数据结构

线性表

线性表是具有 n 个相同类型元素的有限序列（ n ≥ 0 ）

a₁ 是首节点（首元素）， a_n 是尾结点（尾元素）
a₁ 是 a₂ 的前驱， a₂ 是 a₁ 的后继

常见的线性表有：

数组
链表
栈
队列
哈希表（散列表）

数组（Array）

数组是一种顺序存储的线性表，所有元素的内存地址是连续的

在很多编程语言中，数组都有个致命的缺点： 无法动态修改容量

实际开发中，我们更希望数组的容量是可以动态改变的

动态数组（Dynamic Array）

动态数组接口设计

动态数组的结构：

size
elements

Java 中，成员变量会自动初始化，比如：

int 类型自动初始化为 0

对象类型自动初始化为 null

清除所有元素 - clear()

核心代码是 size = 0，实际上不需要执行 elements = null，size = 0 的操作已经对用户来说保证了无法访问动态数组中的元素了。

添加元素 - add(E element)、add(int index, E element)

add(E element)：默认往数组最后添加元素；

add(int index, E element)：在 index 位置插入一个元素；

比如要往 index = 2 的地方添加元素：

正确的顺序应当是：从后往前开始将 index = 2 以后的元素依次后移，然后赋值：
如果从前往后开始移动元素，会造成如下错误的后果：

代码实现：

/*** 在index位置插入一个元素* @param index* @param element*/
public void add(int index, E element){ rangeCheckForAdd(index); // 检查下标越界ensureCapacity(size + 1); // 确保容量够大// 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 (index)// 1 2 3 4 5 6 x x x x   (原数组)// 在index=2处，插入9，元素全部后移// 1 2 9 3 4 5 6 x x x   (add后数组)// 先从后往前开始, 将每个元素往后移一位, 然后再赋值for (int i = size - 1; i > index; i--) {elements[i + 1] = elements[i];}elements[index] = element; // 复制size++;
}
/*** 添加元素到数组最后*/
public void add(E element){add(size, element);
}

删除元素 - remove(int index)、清空数组 - clear()

例如，删除 index = 3 的数组元素，应当从前往后开始移动，用后面的元素覆盖前面的元素。

思考：最后一个元素如何处理？

如果存放 int 类型，size-- 后，最后一个元素已经无法访问了。
如果使用泛型，数组要注意内存管理（将元素置 null）。
使用泛型技术可以让动态数组更加通用，可以存放任何数据类型：

代码实现：

/*** 删除index位置的元素* @param index* @return*/
public E remove(int index){rangeCheck(index);// 0 1 2 3 4 5     (index)// 1 2 3 4 5 6   (原数组)// 删除index为2的元素，元素前移// 1 2 4 5 6    (remove后的数组)// 从前往后开始移, 用后面的元素覆盖前面的元素E old = elements[index];for (int i = index; i < size - 1; i++) {elements[i] = elements[i + 1];}// 下面是使用泛型后需要写的(如果存储的是int型数据, 则不需要)elements[--size] = null; // 删除元素后, 将最后一位设置为nullreturn old;
}
/*** 清除所有元素*/
public void clear(){// 使用泛型数组后要注意内存管理(将元素置null)for (int i = 0; i < size; i++) {elements[i] = null;}size = 0;
}

是否包含某个元素 - contains(E element)

关于 null 的处理主要看你的业务需求：是否可以存储 null 数据？

/*** 是否包含某个元素* @param element* @return*/
public boolean contains(E element){return indexOf(element) != ELEMENT_NOT_FOUND; // 找的到该元素则返回True
}
/**
* 查看元素的索引* @param element* @return*/
public int indexOf(E element){/*// 不对 null 进行处理也可以，但是健壮性不够for (int i = 0; i < size; i++) {if(elements[i].equals(element)) return i;}*/if(element == null){ // 对 null 进行处理for (int i = 0; i < size; i++) {if(elements[i] == null) return i;}}else{for (int i = 0; i < size; i++) {if(elements[i].equals(element)) return i;}}return ELEMENT_NOT_FOUND;
}

扩容 - ensureCapacity(int capacity)

相信看过视频的小伙伴一看这图就懂了。

扩容操作代码实现：

/*** 扩容操作*/
private void ensureCapacity(int capacity){int oldCapacity = elements.length;if (oldCapacity >= capacity) return;// 新容量为旧容量的1.5倍int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);E[] newElements = (E[])new Object[newCapacity];for (int i = 0; i < size; i++) {newElements[i] = elements[i]; // 拷贝原数组元素到新数组}elements = newElements;System.out.println("size="+oldCapacity+", 扩容到了"+newCapacity);
}

打印数组（toString）

重写 toString 方法
在 toString 方法中将元素拼接成字符串
字符串拼接建议使用 StringBuilder

@Override
public String toString() {// 打印形式为: size=5, [99, 88, 77, 66, 55]StringBuilder string = new StringBuilder();string.append("size=").append(size).append(", [");for (int i = 0; i < size; i++) {if(0 != i) string.append(", ");string.append(elements[i]);}string.append("]");return string.toString();
}

泛型

使用泛型技术可以让动态数组更加通用，可以存放任何数据类型

public class ArrayList<E> {private int size;private E[] elements;
}

elements = (E[]) new Object[capacity];

ArrayList<Integer> list = new ArrayList<>();

对象数组 - Object[]

Object[] objects = new Object[7];

由于 Object 可以存放任何类型，因此无法固定 Object 占多少内存空间（根据传入不同的自定义对象，占用的空间都不同），因此实际上 Object 数组中存放的是对象的地址。
想要销毁对象，只需要将指向该对象的地址赋值为 null，没有地址引用该对象，则会自动被垃圾回收

内存管理细节：

public void clear() {for (int i = 0; i < size; i++) {elements[i] = null; // 管理内存}size = 0;
}

public E remove(int index) {rangeCheck(index);E oldElement = elements[index];for (int i = index; i < size - 1; i++) {elements[i] = elements[i + 1];}elements[--size] = null; // 管理内存return oldElement;
}

int型动态数组源码（Java）

public class ArrayList {private int size;        // 元素数量 private int[] elements; // 所有的元素private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10; // 初始容量private static final int ELEMENT_NOT_FOUND = -1;public ArrayList(int capacity) { // 容量小于10一律扩充为10capacity = (capacity < DEFAULT_CAPACITY) ? DEFAULT_CAPACITY : capacity;elements = new int[capacity];}public ArrayList(){this(DEFAULT_CAPACITY);}/*** 元素的数量* @return*/public int size(){return size;}/*** 是否为空* @return*/public boolean isEmpty(){return size == 0;}/*** 是否包含某个元素* @param element* @return*/public boolean contains(int element){return indexOf(element) != ELEMENT_NOT_FOUND; //找的到该元素则返回True}/*** 在index位置插入一个元素* @param index* @param element*/public void add(int index, int element){rangeCheckForAdd(index); // 检查下标越界ensureCapacity(size + 1); // 确保容量够大// 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9   (index)// 1 2 3 4 5 6 x x x x   (原数组)// 在index=2处，插入9，元素全部后移// 1 2 9 3 4 5 6 x x x   (add后数组)// 先从后往前开始, 将每个元素往后移一位, 然后再赋值for (int i = size - 1; i > index; i--) {elements[i + 1] = elements[i];}elements[index] = element; // 赋值size++;}/*** 添加元素到最后面*/public void add(int element){add(size, element);}/*** 设置index位置的元素* @param index* @param element* @return 原来的元素ֵ*/public int get(int index){rangeCheck(index);return elements[index];}/*** 设置index位置的元素* @param index* @param element* @return 原来的元素ֵ*/public int set(int index, int element){rangeCheck(index);int old = elements[index];elements[index] = element;return old;}/*** 删除index位置的元素* @param index* @return*/public int remove(int index){rangeCheck(index);// 0 1 2 3 4 5   (index)// 1 2 3 4 5 6   (原数组)// 删除index为2的元素，元素前移// 1 2 4 5 6    (remove后的数组)int old = elements[index];// 从前往后开始移, 用后面的元素覆盖前面的元素for (int i = index; i < size-1; i++) {elements[i] = elements[i + 1];}size--;return old;}/*** 查看元素的索引* @param element* @return*/public int indexOf(int element){for (int i = 0; i < size; i++) {if(elements[i] == element) return i;}return ELEMENT_NOT_FOUND;}/*** 清除所有元素*/public void clear(){size = 0;}/** 扩容操作*/private void ensureCapacity(int capacity){int oldCapacity = elements.length;if(oldCapacity >= capacity) return;// 新容量为旧容量的1.5倍int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1); // 1.5int[] newElements = new int[newCapacity];for (int i = 0; i < size; i++) {newElements[i] = elements[i];}elements = newElements;System.out.println("size="+oldCapacity+", 扩容到了"+newCapacity);}/****************封装好的功能函数*******************************/// 下标越界抛出的异常private void outOfBounds(int index) {throw new IndexOutOfBoundsException("Index:" + index + ", Size:" + size);}// 检查下标越界(不可访问或删除size位置)private void rangeCheck(int index){if(index < 0 || index >= size){outOfBounds(index);}}// 检查add()的下标越界(可以在size位置添加)private void rangeCheckForAdd(int index) {if (index < 0 || index > size) {outOfBounds(index);}}/****************封装好的功能函数*******************************/@Overridepublic String toString() {// 打印形式为: size=5, [99, 88, 77, 66, 55]StringBuilder string = new StringBuilder();string.append("size=").append(size).append(", [");for (int i = 0; i < size; i++) {if(0 != i) string.append(", ");string.append(elements[i]);}string.append("]");return string.toString();}
}

泛型动态数组源码（Java）

@SuppressWarnings("unchecked")
public class ArrayList<E> {private int size;      // 元素的数量    private E[] elements;   // 所有的元素private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10; // 初始容量private static final int ELEMENT_NOT_FOUND = -1;public ArrayList(int capacity) { // 容量小于10一律扩充为10capacity = (capacity < DEFAULT_CAPACITY) ? DEFAULT_CAPACITY : capacity;elements = (E[])new Object[capacity];}public ArrayList(){this(DEFAULT_CAPACITY);}/*** 元素的数量* @return*/public int size(){return size;}/*** 是否为空* @return*/public boolean isEmpty(){return size == 0;}/*** 是否包含某个元素* @param element* @return*/public boolean contains(E element){return indexOf(element) != ELEMENT_NOT_FOUND; // 找的到该元素则返回True}/*** 在index位置插入一个元素* @param index* @param element*/public void add(int index, E element){ rangeCheckForAdd(index); // 检查下标越界ensureCapacity(size + 1); // 确保容量够大// 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 (index)// 1 2 3 4 5 6 x x x x   (原数组)// 在index=2处，插入9，元素全部后移// 1 2 9 3 4 5 6 x x x   (add后数组)// 先从后往前开始, 将每个元素往后移一位, 然后再赋值for (int i = size - 1; i > index; i--) {elements[i + 1] = elements[i];}elements[index] = element; // 复制size++;}/*** 添加元素到最后面*/public void add(E element){add(size, element);}/*** 设置index位置的元素* @param index* @param element* @return 原来的元素ֵ*/public E get(int index){rangeCheck(index);return elements[index];}/*** 设置index位置的元素* @param index* @param element* @return 原来的元素ֵ*/public E set(int index, E element){rangeCheck(index);E old = elements[index];elements[index] = element;return old;}/*** 删除index位置的元素* @param index* @return*/public E remove(int index){rangeCheck(index);// 0 1 2 3 4 5   (index)// 1 2 3 4 5 6   (原数组)// 删除index为2的元素，元素前移// 1 2 4 5 6    (remove后的数组)// 从前往后开始移, 用后面的元素覆盖前面的元素E old = elements[index];for (int i = index; i < size - 1; i++) {elements[i] = elements[i + 1];}elements[--size] = null; // 删除元素后, 将最后一位设置为nullreturn old;}/*** 查看元素的索引* @param element* @return*/public int indexOf(E element){/*// 不对 null 进行处理也可以，但是健壮性不够for (int i = 0; i < size; i++) {if(elements[i].equals(element)) return i;}*/if(element == null){ // 对 null 进行处理for (int i = 0; i < size; i++) {if(elements[i] == null) return i;}}else{for (int i = 0; i < size; i++) {if(elements[i].equals(element)) return i;}}return ELEMENT_NOT_FOUND;}/*** 清除所有元素*/public void clear(){// 使用泛型数组后要注意内存管理(将元素置null)for (int i = 0; i < size; i++) {elements[i] = null;}size = 0;}/*** 扩容操作*/private void ensureCapacity(int capacity){int oldCapacity = elements.length;if(oldCapacity >= capacity) return;// 新容量为旧容量的1.5倍int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);E[] newElements = (E[])new Object[newCapacity];for (int i = 0; i < size; i++) {newElements[i] = elements[i]; // 拷贝原数组元素到新数组}elements = newElements;System.out.println("size="+oldCapacity+", 扩容到了"+newCapacity);}/****************封装好的功能函数**************************/// 下标越界抛出的异常private void outOfBounds(int index) {throw new IndexOutOfBoundsException("Index:" + index + ", Size:" + size);}// 检查下标越界(不可访问或删除size位置)private void rangeCheck(int index){if(index < 0 || index >= size){outOfBounds(index);}}// 检查add()的下标越界(可以在size位置添加元素)private void rangeCheckForAdd(int index) {if (index < 0 || index > size) {outOfBounds(index);}}/****************封装好的功能函数***************************/@Overridepublic String toString() {// 打印形式为: size=5, [99, 88, 77, 66, 55]StringBuilder string = new StringBuilder();string.append("size=").append(size).append(", [");for (int i = 0; i < size; i++) {if(0 != i) string.append(", ");string.append(elements[i]);}string.append("]");return string.toString();}
}

测试运行：

public static void main(String[] args) {ArrayList<Person> list = new ArrayList<>();list.add(new Person(10, "jack"));list.add(new Person(20, "rose"));list.add(null);list.add(null);System.out.println("add()添加元素: " + list);System.out.println("get()获取元素: " + list.get(0));list.set(0, new Person(99, "ghost"));System.out.println("set()设置元素值: " + list);list.remove(0);System.out.println("remove()删除元素: " + list);list.clear();System.out.println("clear()清空数组: " + list);
}

add()添加元素: size=4, [Person [age=10, name=jack], Person [age=20, name=rose], null, null]
get()获取元素: Person [age=10, name=jack]
set()设置元素值: size=4, [Person [age=99, name=ghost], Person [age=20, name=rose], null, null]
remove()删除元素: size=3, [Person [age=20, name=rose], null, null]
clear()清空数组: size=0, []

泛型动态数组源码（C++）

一时兴起写了个C++版本的动态数组。。。如果可以的话，希望后面的数据结构都可以用C++自己实现一遍。。（目前只写了这个）

#include<iostream>
using namespace std;
#define ELEMENT_NOT_FOUND -1;template<typename E>
class Array
{private:int m_size;     // 元素数量int m_capacity; // 数组容量E * m_elements;   // 指向首地址void outOfBounds(int index) {throw index;}void rangeCheck(int index);   // 检查下标(get,set)void rangeCheckForAdd(int index); // 检查下标(add)void ensureCapacity(int capacity); // 检查容量及扩容
public:Array(int capacity = 10);~Array();int size(); // 元素的数量bool isEmpty(); // 是否为空int indexOf(E element); // 查看元素的位置bool contains(E element); // 是否包含某个元素E set(int index, E element); // 设置index位置的元素E get(int index); // 返回index位置对应的元素void add(int index, E element); // 往index位置添加元素void add(E element); // 添加元素到最后面E remove(int index); // 删除index位置对应的元素void clear(); // 清除所有元素
};
template<typename E>
void Array<E>::rangeCheck(int index) {if (index < 0 || index >= m_size)outOfBounds(index);
}
template<typename E>
void Array<E>::rangeCheckForAdd(int index) {if(index < 0 || index > m_size)outOfBounds(index);
}
template<typename E>
void Array<E>::ensureCapacity(int capacity) {int oldCapacity = m_capacity;if (oldCapacity >= capacity) return;// 新容量为旧容量的1.5倍int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);E *newElements = new E[newCapacity];for (int i = 0; i < m_size; i++) {newElements[i] = m_elements[i];}delete[] m_elements; // 释放原空间m_elements = newElements;m_capacity = newCapacity;cout << oldCapacity << "扩容为" << newCapacity << endl;
}template<typename E>
Array<E>::Array(int capacity) {m_capacity = (capacity < 10) ? 10 : capacity;m_elements = new E[m_capacity];
}
template<typename E>
Array<E>::~Array() {delete[] m_elements;
}
template<typename E>
int Array<E>::size(){return m_size;
}
template<typename T>
bool Array<T>::isEmpty() {return m_size == 0;
}
template<typename E>
int Array<E>::indexOf(E element) {for (int i = 0; i < m_size; i++) {if (m_elements[i] == element) return i;}return ELEMENT_NOT_FOUND;
}
template<typename E>
bool Array<E>::contains(E element) {return indexOf(element) != ELEMENT_NOT_FOUND;
}
template<typename E>
E Array<E>::set(int index, E element) {rangeCheck(index);E old = element;m_elements[index] = element;return old;
}
template<typename E>
E Array<E>::get(int index) {rangeCheck(index);return m_elements[index];
}
template<typename E>
void Array<E>::add(int index, E element) {rangeCheckForAdd(index);ensureCapacity(m_size + 1);// 0 1 2 3 4 5 // 1 2 3 5 6 7// index=3, element=4for (int i = m_size; i > index; i--) {m_elements[i] = m_elements[i-1];}m_elements[index] = element;m_size++;
}
template<typename E>
void Array<E>::add(E element) {add(m_size, element);
}
template<typename E>
E Array<E>::remove(int index) {rangeCheck(index);E old = m_elements[index];// 0 1 2 3 4 5 // 1 2 3 5 6 7// index=2for (int i = index; i < m_size; i++) {m_elements[i] = m_elements[i + 1];}m_elements[--m_size] = NULL;return old;
}
template<typename E>
void Array<E>::clear() {// m_elements = nullptr; // 不可行，直接清除了整个指针指向的地址for (int i = 0; i < m_size; i++) {m_elements[i] = NULL;}m_size = 0;
}int main() {Array<int> array;for (int i = 0; i < 30; i++) {array.add(i);}cout << "array.set(0, 99): " << array.set(0, 99) << endl;cout << "array.remove(0): " << array.remove(0) << endl;cout << "array.isEmpty(): " << array.isEmpty()<< endl;cout << "array.cotains(5): " << array.contains(5) << endl;cout << "size = " << array.size() << endl;array.add(10, 99); cout << "array.add(10, 99), size = " << array.size() << endl;for (int i = 0; i < array.size() ;  i++) {if (i != 0) {cout << ", ";}cout << array.get(i);}
}

10扩容为15
15扩容为22
22扩容为33
array.set(0, 99): 99
array.remove(0): 99
array.isEmpty(): 0
array.cotains(5): 1
size = 29
array.add(10, 99), size = 30
1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 99, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29

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