数据结构学习笔记 - 02 数组
介绍
- 数组最大的优点是可以快速查询,如 scores[2];
- 数组最好应用于 “索引有语意” 的情况;
复杂度
| 操作 | 复杂度 |
|---|---|
| 增 | O(n) |
| 删 | O(n) |
| 改 | 已知索引 O(1) 未知索引 O(n) |
| 查 | 已知索引 O(1) 未知索引 O(n) |
addLast(e) |
O(1) |
addFirst(e) |
O(n) |
add(index, e) |
O(n) |
removeLast(e) |
O(1) |
removeFirst(e) |
O(n) |
remove(index, e) |
O(n) |
resize |
O(1) (均摊复杂度) |
静态数组
数组简单来讲就是将一组数据码成一排进行存放。内存中,会开辟一个连续的区间存放数组。一旦创建,数组的容量是固定的。
不同语言对数组的实现会略有不同:
| 语言 | 实现 | 类型 | 元素 | 可变 |
|---|---|---|---|---|
| Java | E[](E 表示类型,如 int) |
引用类型 | 指定类型 | 容量不可变,元素可变 |
| Objective-C | NSArray |
引用类型 | 对象类型 | 容量不可变,元素可变 |
| Swift | Array |
值类型 | 指定类型 | 容量和元素均不可变 |
首先,三种语言的数组容量都是不可变的,这也是静态数组的特点,空间一旦开辟,就固定了;其次,对于元素的类型,Objective-C 是只要是对象即可,因此对元素类型的限制较小,而其他两种语言要求元素必须为指定的类型;最后,Swift 的数组使用值类型,而另外两种采用引用类型,这也使得 Swift 数组创建后,元素就无法做更改了。
动态数组的实现
动态数组使用静态数组实现,它必须要有的几个成员变量:
E[] data:使用一个静态数组作为容器来存放元素;int capacity: 当前数组的容量,可以使用data.length表示;int size:当前数组存放元素的个数;
使用 Java 实现:
public class Array<E> {
// 使用一个静态数组来存放元素,也就是当前数组的容量。
private E[] data;
// 数组中存放元素的个数。
private int size;
/**
* 构造函数。
*
* @param capacity 数组初始容量。
*/
@SuppressWarnings("unchecked")
public Array(int capacity) {
data = (E[]) new Object[capacity];
size = 0;
}
/**
* 无需传入数组容量的构造函数。默认初始容量为 10。
*/
public Array() {
this(10);
}
/**
* 通过一个静态数组构造动态数组。
* 如:Array<Integer> arr = new Array<>(new Integer[]{3, 1, 2});
*
* @param arr 静态数组。
*/
@SuppressWarnings("unchecked")
public Array(E[] arr) {
data = (E[]) new Object[arr.length];
for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
data[i] = arr[i];
}
size = arr.length;
}
/**
* 获取数组的容量。
*
* @return 数组的容量。
*/
public int getCapacity() {
return data.length;
}
/**
* 获取数组中元素的个数。
*
* @return 数组中元素的个数。
*/
public int getSize() {
return size;
}
/**
* 数组是否为空。
*
* @return 数组是否为空。
*/
public boolean isEmpty() {
return size == 0;
}
/**
* 在指定索引添加一个元素。
* 时间复杂度最大为 O(n),最小为 O(1)。总体计算应该算出各个可能性的期望复杂度,最终是 O(n/2),由于常数忽略,所以还是 O(n)。
*
* @param index
* @param e
*/
public void add(int index, E e) {
// 索引必须合法
if (index < 0 || index > size) {
throw new IllegalArgumentException("Add failed. Require index >= 0 and index <= size.");
}
if (size == data.length) {
// 修改前,如果数组已经满了,则无法添加新元素,抛出异常。
// throw new IllegalArgumentException("Add failed. Array is full.");
// 修改后,如果数组已经满了,则不再抛出异常,而是容量翻倍。
resize(2 * data.length);
}
// 将索引后面的元素依次向后挪动一个位置,应该从最后一个元素开始挪起。
for (int i = size - 1; i >= index; i--) {
data[i + 1] = data[i];
}
data[index] = e;
size++;
}
/**
* 向数组末尾添加元素。
* 时间复杂度 O(1),因为算法运行时间和输入数据规模无关,是一个常数,也就是和数组元素个数无关。
*
* @param e 元素。
*/
public void addLast(E e) {
// 尾部添加一个元素可以调用 add 方法。
add(size, e);
// // 如果数组已经满了,则无法添加新元素,抛出异常。
// if (size == data.length) {
// throw new IllegalArgumentException("AddLast failed. Array is full.");
// }
// data[size] = e;
// size++;
}
/**
* 在数组开头插入一个元素。
* 时间复杂度 O(n),因为需要向后挪动 n 个元素,数组中所有内容都要向后挪动。
*
* @param e 插入的元素。
*/
public void addFirst(E e) {
add(0, e);
}
/**
* 获取某个元素。
* 时间复杂度 O(1)。
*
* @param index 索引。
*/
public E get(int index) {
if (index < 0 || index >= size) {
throw new IllegalArgumentException("Get failed. Index is illegal.");
}
return data[index];
}
/**
* 获取数组最后一个元素。
*/
public E getLast() {
return get(size - 1);
}
/**
* 获取数组第一个元素。
*/
public E getFirst() {
return get(0);
}
/**
* 修改 index 索引位置的元素为 e。
* 时间复杂度 O(1)。这也是数组最大的优势,支持随机访问,知道索引的情况下改元素超快。
*
* @param index 索引。
* @param e 新设置的元素。
*/
public void set(int index, E e) {
if (index < 0 || index >= size) {
throw new IllegalArgumentException("Set failed. Index is illegal.");
}
data[index] = e;
}
/**
* 查找数组中是否包含某个元素。
* 时间复杂度 O(n)。
*/
public boolean contains(E e) {
for (int i = 0; i < size; i++) {
if (data[i].equals(e)) {
return true;
}
}
return false;
}
/**
* 查找元素 e 所在的第一个索引,如果不存在该元素,则返回 -1。
* 时间复杂度 O(n)。
*/
public int find(E e) {
for (int i = 0; i < size; i++) {
if (data[i].equals(e)) {
return i;
}
}
return -1;
}
/**
* 从数组中删除指定索引的元素,并将其返回。
* 时间复杂度 O(n)
*/
public E remove(int index) {
if (index < 0 || index >= size) {
throw new IllegalArgumentException("Remove failed. Index is Illegal.");
}
E ret = data[index];
for (int i = index + 1; i < size; i++) {
data[i - 1] = data[i];
}
size--;
data[size] = null; // 可写可不写,写的话可以优化一点点内存。loitering objects != memory leak
// 缩容采取 lazy 的策略,元素变为 1/4 时再进行缩容。
// 这样的目的是防止复杂度震荡。
if (size == data.length / 4 && data.length / 2 != 0) {
resize(data.length / 2);
}
return ret;
}
/**
* 删除第一个元素。
* 时间复杂度 O(n)
*
* @return 删除的元素。
*/
public E removeFirst() {
return remove(0);
}
/**
* 删除最后一个元素。
* 时间复杂度 O(1)
*
* @return 删除的元素。
*/
public E removeLast() {
return remove(size - 1);
}
/**
* 如果数组包含元素 e,则删除第一个 e。
*
* @param e
*/
public void removeElement(E e) {
int index = find(e);
if (index != -1) {
remove(index);
}
}
/**
* 交换数组中指定两个索引的元素
*/
public void swap(int i, int j) {
if (i < 0 || i >= size || j < 0 || j >= size) {
throw new IllegalArgumentException("Index is illegal.");
}
E t = data[i];
data[i] = data[j];
data[j] = t;
}
/**
* 改变数组容量。
*
* 对于该算法复杂度的分析,最合适的应该是均摊复杂度分析,而不应该使用最坏的情况。因为 resize 操作是不可能每次添加元素都触发的。
* 由于不是每次操作都触发,则这次的耗时可以分摊到每一次操作中。
* 使用均摊复杂度分析的复杂度是 O(1) 级别的
*
* 但是,如果我们正好在扩容和缩容的边界反复交替调用 addLast 和 removeLast 的话,复杂度就一直是 O(n) 级别的,这叫做复杂度震荡。
* 为了防止复杂度震荡,我们可以在缩容的时候采取 lazy 的策略,即元素个数到 1/2 容量时先不要锁容,而等到更小,比如 1/4 的时候再进行。
*
* @param newCapacity 需要变更的容量。
*/
@SuppressWarnings("unchecked")
private void resize(int newCapacity) {
if (newCapacity < size) {
throw new IllegalArgumentException("New capacity is Illegal.");
}
E[] newData = (E[]) new Object[newCapacity];
for (int i = 0; i < size; i++) {
newData[i] = data[i];
}
data = newData;
}
@Override
public 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; i++) {
res.append(data[i]);
if (i != size - 1) {
res.append(", ");
}
}
res.append(']');
return res.toString();
}
}
总结:
- 对于增删操作,最好的情况是
O(1)即增删在尾部,最差的情况是O(n)即增删在首位,平均还是O(n); - 对于数组越界的处理,我们都选择抛出异常使程序中断,而不是采取返回空等温和的做法;
- 改变数组的
resize操作的复杂度分析需要使用均摊复杂度分析,最终该操作的复杂度是O(1)级别; rezize操作为避免复杂度震荡,缩容操作采用了延迟的策略;