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Java自定义一个变长数组的思路与代码

2022-12-29 15:00

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前言

首先需要声明的是，Java本身是提供了变长数组的，即ArrayList。那么自定义一个变长数组有啥用？其实没啥用或者说用处不大，主要就是为了了解下变长数组的设计理念而已。实际工作中直接使用ArrayList。

思路分析

主要功能点：

新建时可以指定容量大小，不指定时使用默认容量大小。
向数组中追加新元素，当超过容量时应该自动扩容。
向数组中指定位置添加新元素，需要考虑指定的下标是否越界，同样也需要考虑扩容操作。
删除末尾的元素，需要考虑缩小容量。
删除指定位置元素，需要考虑指定的下标是否越界，同样也需要考虑缩小容量。
修改特定位置的元素，需要考虑指定的下标是否越界。
以时间复杂度为O ( 1 ) O(1)O(1)获取任意位置的元素，需要考虑指定的下标是否越界。

主要注意点：

扩容：这里扩容2倍（ArrayList 是扩容 1.5 倍），扩容时新建一个2倍容量的新数组，然后将旧数组中的元素按顺序拷贝到新数组。
缩容：当数组中的元素个数 <= 0.25 * 容量时，自动缩小容量为原来的一半，新建一个容量是原来容量一半的数组，然后将旧数组中的元素按顺序拷贝到新数组。（ArrayList缩小为和当前元素个数一样大）。
指定位置添加：需要先将指定位置及后面所有的元素都向后移动一位，将指定位置空出来然后再插入。
指定位置删除：先将制定位置删除，然后将后面的所有元素都向前移动一位。
容量大小：需要指定容量的最大值，避免OOM的发生。最小值可以指定也可以不指定。

实现代码


public class ResizeableArray<E> {

    private static final int MIN_CAPACITY = 10;

    private static final int MAX_CAPACITY = Integer.MAX_VALUE - 8;

    // 当前实际数据大小
    private int size = 0;

    // 实际存放元素的数组，容量为 elements.length
    private Object[] elements;

    public ResizeableArray(){
        this(MIN_CAPACITY);
    }

    public ResizeableArray(int initCapacity){
        if(initCapacity < MIN_CAPACITY){
            initCapacity = MIN_CAPACITY;
        }else if(initCapacity > MAX_CAPACITY){
            initCapacity = MAX_CAPACITY;
        }
        this.elements = new Object[initCapacity];
    }

    // 数组的特性，根据下标获取元素
    public E get(int index){
        this.checkIndex(index);
        return (E)elements[index];
    }

    // 添加一个元素到最后
    public void add(E element){
        if(size == elements.length){
            // 需要扩容
            this.expandCapacity();
        }
        elements[size++] = element;
    }

    // 添加一个元素到指定位置
    public void add(int index, E element){

        if(index == size){
            this.add(element);
            return;
        }
        this.checkIndex(index);
        if(size == elements.length){
            // 需要扩容
            this.expandCapacity();
        }
        // 需要先将index和之后的所有元素向后移动一位
        for(int i = size - 1; i >= index; i--){
            elements[i + 1] = elements[i];
        }
        elements[index] = element;
        size++;

    }

    // 设置下标为index的元素
    private void set(int index, E element){
        this.checkIndex(index);
        elements[index] = element;
    }

    

    private void delete(int index){
        this.checkIndex(index);
        elements[index] = null;
        // 如果删除的不是最后一个元素，需要将后续元素往前移动一位
        if(index < size - 1){
            for(int i = index + 1; i < size; i++){
                elements[i - 1] = elements[i];
            }
        }
        size--;
        if(size <= 0.25 * elements.length){
            this.reduceCapacity();
        }
    }

    private void deleteLast(){
        this.delete(size - 1);
    }

    private void checkIndex(int index){
        if(index < 0 || index >= size){
            throw new IndexOutOfBoundsException(String.format("Out of bounds at: %s, size is: %d", index, size));
        }
    }

    private void expandCapacity(){
        if(MAX_CAPACITY == elements.length){
            // 容量达到最大限制，无法扩容。
            throw new RuntimeException("The capacity has reached its maximum limit and cannot be expanded.");
        }
        int newCapacity = Math.min(elements.length << 1, MAX_CAPACITY);
        Object[] newElements = new Object[newCapacity];
        System.arraycopy(elements, 0, newElements, 0, size);
        elements = newElements;
    }

    private void reduceCapacity(){
        if(elements.length == MIN_CAPACITY){
            return;
        }
        int newCapacity = Math.max(elements.length >> 1, MIN_CAPACITY);
        Object[] newElements = new Object[newCapacity];
        System.arraycopy(elements, 0, newElements, 0, size);
        elements = newElements;
    }



    public static void main(String[] args){
        ResizeableArray<Integer> resizeableArray = new ResizeableArray<>();
        System.out.printf("初始化后，size为: %d \n", resizeableArray.size);
        System.out.printf("初始化后，capacity为: %d \n", resizeableArray.elements.length);
        System.out.println();

        for(int i = 0; i < 20; i++){
            resizeableArray.add(i);
        }

        System.out.printf("添加20个元素后，size为: %d \n", resizeableArray.size);
        System.out.printf("添加20个元素后，capacity为: %d \n", resizeableArray.elements.length);
        System.out.printf("添加20个元素后，第5个元素是: %d \n", resizeableArray.get(4));
        System.out.println();

        resizeableArray.delete(4);

        System.out.printf("删除第五个元素后，size为: %d \n", resizeableArray.size);
        System.out.printf("删除第五个元素后，capacity为: %d \n", resizeableArray.elements.length);
        System.out.printf("删除第五个元素后，第5个元素是: %d\n", resizeableArray.get(4));
        System.out.println();

        resizeableArray.add(4, 100);
        System.out.printf("在第五个位置插入元素后，size为: %d \n", resizeableArray.size);
        System.out.printf("在第五个位置插入元素后，capacity为: %d \n", resizeableArray.elements.length);
        System.out.printf("在第五个位置插入元素后，第5个元素是: %d\n", resizeableArray.get(4));
        System.out.println();

        for(int i = 0; i < 15; i++){
            resizeableArray.deleteLast();
        }
        System.out.printf("删除后面15个元素后，size为: %d \n", resizeableArray.size);
        System.out.printf("删除后面15个元素后，capacity为: %d \n", resizeableArray.elements.length);
        System.out.printf("删除后面15个元素后，第5个元素是: %d\n", resizeableArray.get(4));
        System.out.println();

        resizeableArray.set(4, 200);
        System.out.printf("修改第五个元素后，当前size为: %d \n", resizeableArray.size);
        System.out.printf("修改第五个元素后，capacity为: %d \n", resizeableArray.elements.length);
        System.out.printf("修改第五个元素后，第5个元素是: %d\n", resizeableArray.get(4));

    }
}