数据结构与算法——数组

1. 概述

数组（Array）是一种很基础的数据结构，几乎绝大多数编程语言都会支持数组这种数据结构。数组是一种线性结构，使用一组连续的内存空间，来存储相同类型的数据。

所谓线性结构，就是指数据是前后排列的，只有前后两个方向，除了数组，其他的比如链表、栈、队列都是线性结构。

因为数组是使用连续的内存空间来存储数据的，所以数组的最大的特点就是支持根据下标随机访问数据，这是数组最大的优势。但是，有利就有弊，虽然数组高效的支持下标访问，只不过在插入和删除数据的时候就比较低效了，为了保证内存的连续性，必须要进行数据搬移。

2. 插入数据

先来看看插入操作，假如有一个数组 [3, 4, 6, 8, 7, 2, 5]，第一种情况是插入的元素位于数组的最后一个位置，那么不用进行数据搬移，时间复杂度为 O(1) ，如果插入的位置是第一个，那么必须移动整个数组，时间复杂度为 O(n) 。

这里有另外一个处理思路：如果数组中存储的数据不在乎彼此顺序的话，那么插入数据的时候，我们可以直接将插入位置的元素放到数组最后一位，腾出位置给新的元素。就像下图这样：

3. 删除数据

再来看看删除操作，还是上面的数组 [3, 4, 6, 8, 7, 2, 5]，如果删除的是最后一个元素，那么不需要进行数据搬移，如果删除的是第一个元素，那么数组每一个元素都会向前移动一位。

只不过，在某些场景下，如果不是特别追求数据的连续性，那么我们可以采用另一种思路来处理删除操作。例如数组的大小为 10 ，现在存储了 7 个元素，分别是 [3, 4, 6, 8, 7, 2, 5]，如果我们要删除 3 4 6 这三个元素，我们先将其标记为删除，等到数组空间不够的时候，在集中性的进行数据搬移，这样就大大减少了数据搬移的次数！

是不是非常高效呢？

4. Java 容器

在 Java 语言中，提供了一个可以支持动态扩容的数组容器：ArrayList，如果你熟悉 Java 语言的话，几乎每天都会和这个容器打交道，它封装了一些数组的操作，并且在数组空间不够的时候，自动扩容为原来的 1.5 倍。

只不过，在使用 ArrayList 的时候，要是能够指定大小，最好指定，这样会减少申请内存空间和数据搬移的操作。

5. 代码示例

下面是简单的支持动态扩容的数组实现：

/*
 * 泛型动态数组
 */
public class GenericArray<T> {

    private T[] data;
    private int count;//数组中存储的个数
    
    public GenericArray(int capacity) {
        this.data = (T[]) new Object[capacity];
        this.count = 0;
    }

    public GenericArray() {
        this(16);
    }
    
    //返回数组中元素的个数
    public int getSize() {
        return this.count;
    }
    
    //返回数组容量
    public int getCapacity() {
        return this.data.length;
    }

    //设置某个位置的数据
    public void set(int index, T value) {
        if (count == data.length) {
            //扩容
            resize(data.length * 2);
        }
        checkIndex(index);
        
        if (index == count) {
            data[count ++] = value;
            return;
        }
        //常规删除
        for (int i = count; i < index; i --) 
            data[i] = data[i - 1];
        data[index] = value;
        count ++;
    }
    
    //在数组末尾插入数据
    public void insert(T value) {
        set(count, value);
    }
    
    //删除数据 
    public T remove(int index) {
        if(index == count) throw new IllegalArgumentException("Index Illegal!");
        checkIndex(index);
        
        T result = data[index];
        
        for (int i = index; i < count - 1; i ++) 
            data[i] = data[i + 1];
        count --;
        
        //缩容
        if (count == data.length / 2) {
            resize(data.length / 2);
        }
        return result;
    }
    
    //检查下标的方法
    public void checkIndex(int index) {
        if(index < 0 || index > count) throw new IllegalArgumentException("Index Illegal!");
    }
    
    //重新设置数组的容量, 对应的操作是扩容和缩容
    private void resize(int capacity) {
        T[] temp = (T[]) new Object[capacity];
        for (int i = 0; i < count; i++) {
            temp[i] = data[i];
        }
        data = temp;
    }
}

是不是很简单呢？后面接着讲数据结构与算法的知识！