数据结构——用Java实现数组

一、什么是数据结构？

概念：

数据结构是一门基础的学科，是研究数据如何在计算机中进行组织和存储，使得我们可以高效的获取数据和修改数据的。

数据结构可以分为三类：

1.线性结构：数组、队列、栈、链表、哈希表…

2.树形结构：二叉树、二分搜索树、AVL树，红黑树、堆、Trie、线段树、并查集…

3.图结构：邻接矩阵、邻接表

为什么要学习数据结构？

好的程序是数据结构+算法来实现的：数据结构+算法=程序

在遇到不同的问题时，选择对应的数据结构方法，能更快更好的进行解决。

学习数据结构还可以锻炼我们的代码和思维能力。

二、数组

1.数组基础

  • 数组是用来存储一组类型相同的数据的集合
  • 在内存中，分配连续的空间，数组创建时要指定容量（大小）
  • 数据类型[] 数组名 int[] arr = new int[10] int[] arr2 = {1,2,3,4}
  • 索引---访问数组时通过索引进行操作 索引从0开始，最大为 arr.length -1
  • 常见的错误： NullPointException ArrayIndexOutOfBoundsException
  • 常见的数组： 字符串， 对象数组，哈希表

使用数组时，最重要的就是数组的索引，通过索引可以对数组进行改和查操作。

数组最大的优点：快速查询。

数组最好应用于索引有语义的情况。例如：通过学生学号进行查询等

2.向数组中添加元素

public void add(int item) {//this.size 指向的是待插入元素的位置this.data[this.size] = item;this.size++;}

3.向指定位置添加元素

public void addInIndex(int index, int val) {if (index < 0 || index > this.size) {throw new IllegalArgumentException("index is invalid.");}//从index位置开始元素需要进行后移for (int i = this.size - 1; i >= index; i--) {this.data[i + 1] = this.data[i];}this.data[index] = val;//更新this.sizethis.size++;}

有了向指定位置添加元素的方法后，就可以修改上面所写的尾部添加元素的方法：

public void add(int item) {//this.size 指向的是待插入元素的位置addInIndex(this.size, item);}

也可以写一个头部添加的方法：

 public void addHead(int item) {addInIndex(0, item);}

4.获取指定位置的元素和修改指定位置的元素

//修改指定位置的值public void modifyValueByIndex(int index, int value) {//入参一定要判断if (index < 0 || index >= this.size) {throw new IllegalArgumentException("index is invalid.");}this.data[index] = value;}//获取指定位置的值public int getValueByIndex(int index) {if (index < 0 || index >= this.size) {throw new IllegalArgumentException("index is invalid.");}return this.data[index];}

5.包含、搜索和删除元素

//查询指定的值在数组中是否存在，如查存在，获取索引，否则返回-1public int containsValue(int val) {//遍历数组for (int i = 0; i < this.size; i++) {if (val.equals(this.data[i])) {return i;}}return -1;}//删除操作public int removeByIndex(int index) {if (index < 0 || index >= this.size) {throw new IllegalArgumentException("index is invalid.");}//删除操作的核心/*1.找到删除的位置2.删除位置之后的元素要前移 arr[j-1]=arr[j]*/int delValue = this.data[index];for (int i = index + 1; i < this.size; i++) {this.data[i - 1] = this.data[i];}this.size--;return delValue;}

6.打印数组

打印数组前提是重写toString方法：

 @Overridepublic String toString() {StringBuilder sb = new StringBuilder("[");for (int i = 0; i < this.size; i++) {sb.append(this.data[i]);if (i != this.size - 1) {sb.append(",");}}sb.append("]");return sb.toString();}

然后写主函数，对所写的数组的方法进行调用和输出：

 public static void main(String[] args) {Random random = new Random();//向数组中添加元素for (int i = 0; i < 10; i++) {myArr.add(random.nextInt(100));}//遍历数组System.out.println(myArr.toString());//查询//1.索引为2的位置值是多少int result = myArr.getValueByIndex(2);System.out.println("index=2,value=" + result);//2.获取值为57的元素的索引int index = myArr.containsValue(57);System.out.println("57元素的索引是" + index);//删除值为57的元素if (index != -1) {result = myArr.removeByIndex(index);System.out.println(result);}System.out.println(myArr);//向数组中指定位置添加元素(3,99)myArr.addInIndex(3, 99);System.out.println(myArr);}

7.出现的问题和解决方法：

  1. 向数组中继续添加一个元素,就会出错(解决方法:扩容)
  2. 删除元素后,空间利用率低--(解决办法:缩容)
  3. 现在只能处理int类型,如何处理多种类型--(解决办法:泛型)

新增了一个改变容积的方法

//向数组中指定位置添加元素public void addInIndex(int index, int val) {if (index < 0 || index > this.size) {throw new IllegalArgumentException("index is invalid.");}//判断数组是否满if (this.size == this.capacity) {//扩容resize(this.capacity * 2);}//从index位置开始元素需要进行后移for (int i = this.size - 1; i >= index; i--) {this.data[i + 1] = this.data[i];}this.data[index] = val;//更新this.sizethis.size++;}private void resize(int newCapacity) {System.out.println("resize:" + newCapacity);T[] newData = (T[]) (new Object[newCapacity]);//将原数组驾到新数组里for (int i = 0; i < this.size; i++) {newData[i] = this.data[i];}//改变容器this.data = newData;this.capacity = newCapacity;}

既然扩容可以，当然也可以进行缩容：

 //删除操作public int removeByIndex(int index) {if (index < 0 || index >= this.size) {throw new IllegalArgumentException("index is invalid.");}//删除操作的核心/*1.找到删除的位置2.删除位置之后的元素要前移 arr[j-1]=arr[j]*/T delValue = this.data[index];for (int i = index + 1; i < this.size; i++) {this.data[i - 1] = this.data[i];}this.size--;//判断是否缩容if (this.size < this.capacity / 2 && this.capacity / 2 > 0) {resize(this.capacity / 2);}return delValue;}

注意：这样缩容会出现一个问题：复杂度的震荡

复杂度震荡：

以本次的数组为例，在删除一定的元素，打到缩容的条件，进行缩容，但是下一步如果添加元素的话，又要进行扩容，时间复杂度就会增加，这就是复杂度的震荡

如何解决：

 //判断是否缩容if (this.size < this.capacity / 4 && this.capacity / 2 > 0) {resize(this.capacity / 2);}return delValue;}

缩容条件改为容积的1/4，这样留有空间进行添加元素，实在是不需要的情况下，再进行缩容。

处理多种类型的方法就是添加泛型：泛型 把类型当做参数

完整代码：

package com.algo.lesson.lesson01;import java.util.Random;/*
基于Java中的数组进行二次封装,制作一个可变数组*/
//泛型:就是类型作为参数
public class MyArr<T> {private T[] data;//保存数据private int size;//数组中实际存放元素的个数int capacity;//容积//构造函数public MyArr(int capacity) {if (capacity <= 0) {this.capacity = 10;} else {this.capacity = capacity;}this.size = 0;this.data = (T[]) (new Object[this.capacity]);}//获取数组中实际存放元素的个数public int getSize() {return this.size;}//获取数组的容积public int getCapacity() {return this.capacity;}//判断数组是否为空public boolean isEmpty() {return this.size == 0;}//向数组中添加元素(尾部)public void add(T item) {//this.size 指向的是待插入元素的位置addInIndex(this.size, item);}//向数组中添加元素(头部)public void addHead(T item) {addInIndex(0, item);}//向数组中指定位置添加元素public void addInIndex(int index, T val) {if (index < 0 || index > this.size) {throw new IllegalArgumentException("index is invalid.");}//判断数组是否满if (this.size == this.capacity) {//扩容resize(this.capacity * 2);}//从index位置开始元素需要进行后移for (int i = this.size - 1; i >= index; i--) {this.data[i + 1] = this.data[i];}this.data[index] = val;//更新this.sizethis.size++;}private void resize(int newCapacity) {System.out.println("resize:" + newCapacity);T[] newData = (T[]) (new Object[newCapacity]);//将原数组驾到新数组里for (int i = 0; i < this.size; i++) {newData[i] = this.data[i];}//改变容器this.data = newData;this.capacity = newCapacity;}//修改指定位置的值public void modifyValueByIndex(int index, T value) {//入参一定要判断if (index < 0 || index >= this.size) {throw new IllegalArgumentException("index is invalid.");}this.data[index] = value;}//获取指定位置的值public T getValueByIndex(int index) {if (index < 0 || index >= this.size) {throw new IllegalArgumentException("index is invalid.");}return this.data[index];}//查询指定的值在数组中是否存在，如查存在，获取索引，否则返回-1public int containsValue(T val) {//遍历数组for (int i = 0; i < this.size; i++) {if (val.equals(this.data[i])) {return i;}}return -1;}//删除操作public T removeByIndex(int index) {if (index < 0 || index >= this.size) {throw new IllegalArgumentException("index is invalid.");}//删除操作的核心/*1.找到删除的位置2.删除位置之后的元素要前移 arr[j-1]=arr[j]*/T delValue = this.data[index];for (int i = index + 1; i < this.size; i++) {this.data[i - 1] = this.data[i];}this.size--;//判断是否缩容if (this.size < this.capacity / 4 && this.capacity / 2 > 0) {resize(this.capacity / 2);}return delValue;}@Overridepublic String toString() {StringBuilder sb = new StringBuilder("[");for (int i = 0; i < this.size; i++) {sb.append(this.data[i]);if (i != this.size - 1) {sb.append(",");}}sb.append("]");return sb.toString();}public static void main(String[] args) {MyArr<Integer> myArr = new MyArr<>(10);Random random = new Random();//向数组中添加元素for (int i = 0; i < 10; i++) {myArr.add(random.nextInt(100));}//遍历数组System.out.println(myArr.toString());//查询//1.索引为2的位置值是多少int result = myArr.getValueByIndex(2);System.out.println("index=2,value=" + result);//2.获取值为57的元素的索引int index = myArr.containsValue(57);System.out.println("57元素的索引是" + index);//删除值为57的元素if (index != -1) {result = myArr.removeByIndex(index);System.out.println(result);}System.out.println(myArr);//向数组中指定位置添加元素(3,99)myArr.addInIndex(3, 99);System.out.println(myArr);/*1.向数组中继续添加一个元素,就会出错(解决方法:扩容)2.现在只能处理int类型,如何处理多种类型--(解决办法:泛型)3.删除元素后,空间利用率低--(解决办法:缩容)*/}}

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