自定义实现Java动态数组

写在前面

通常，我们会用高级程序语言中的数组来描述线性表的顺序存储结构，而这种顺序表的特点时逻辑顺序与物理顺序相同，即数组中元素的内存地址是连续的。

那么很显然，这样的数组（静态数组）在空间被占满后再往里添加数据，就会发生溢出，进而导致程序崩溃。

那么我们可能就需要它可以动态分配内存然后随时可以扩容。

原理

数组动态扩容的原理其实很简单，我们知道它无法承载更多数据的原因是因为内存空间不足，那么只需要将其需要的内存空间扩大就可以了。

但是很显然，我们不可能是在数组内存空间不足的时候，从计算机中再分配一块内存然后与之合并。因为我们知道数组，也就是顺序表它不仅仅是逻辑结构上的顺序，再实际物理结构上，它也保持着内存地址的连续性，简单来说就是：

假设现在有一个顺序表L
它的存储的起始位置为LOC(A)
sizeof(ElemType) 是每个数据元素所占用存储空间的大小
那么，第i个元素的内存地址为LOC(A)+(i-1)×sizeof(ElemType)
最后一位元素的内存地址为LOC(A)+(MaxSize-1)×sizeof(ElemType)

所以在实际操作时，我们没办法保证分配给数组的那块内存空间后面是空余的，因此这种分配方式显然无法满足要求。

那么数组动态扩容是如何实现的呢？
其实很简单，我们只需要再申请一块更大的内存，然后将原有数据复制过去就行，当然，还要将原本的内存空间释放掉。

而数组的扩容有两种方式：

• 固定倍数扩容：设定好扩容的倍数，例如2，那么每一次扩容都只需要将数组的大小扩大为原来的2倍即可。
• 固定值扩容：设定好扩容的大小。例如10，每一次扩容都将数组的长度扩大10

动态数组的设计

动态数组的属性

• size：表示动态数组的大小，它可以表示动态数组的大小，也可以表示当前动态数组的元素个数。
• elements：存储数据的数组（本质上还是一个静态数组），此处就以整型数组为例。
• DEFAULT_CAPACITY：指定默认的动态数组的默认数组大小。
• ELEMENT_NOT_FOUND：遍历循环查找元素时，如果找不到元素，就返回-1。

	//动态数组的属性
    private int size;
    private int[] elements;
    private static final int DEFAULT_CAPACITY=10;
    private static final int ELEMENT_NOT_FOUND=-1; 

动态数组的接口

动态数组需要实现以下的操作：

1. 初始化
2. 求数组长度
3. 按值查找操作
4. 按位查找操作
5. 插入操作
6. 删除操作
7. 输出操作
8. 判空操作
9. 销毁操作

动态数组的实现

/**
 * Java语言下实现一些关于数组的基本操作
 * @author yequan17
 * @version 2022.3.27
 */
public class Array {

    public static void main(String[] args){
        //动态数组的属性:默认长度
        final int DEFAULT_CAPACITY=10;
        //初始化数组elements，设置其长度为DEFAULT_CAPACITY，在初始情况下，各位默认值为0，如果是其他数据类型，则默认值为null
        int[] elements=new int[DEFAULT_CAPACITY];
        String[] elementsString=new String[DEFAULT_CAPACITY];
        int size=elements.length;

        //验证初始化下整型数组元素默认的值
        System.out.println("初始化下整型数组元素默认的值如下：");
        for(int i=0;i<size;i++){
            System.out.println("第"+(i+1)+"位的元素是："+elements[i]);
        }

        //验证初始化下字符型数组元素默认的值
        System.out.println("初始化下整型数组元素默认的值如下：");
        for(int i=0;i<size;i++){
            System.out.println("第"+(i+1)+"位的元素是："+elementsString[i]);
        }

        //输出数组的长度
        System.out.println("数组的长度为："+size);

        //为整型数组各位元素赋值
        for(int i=0;i<size;i++){
            elements[i]=i;
            System.out.println("第"+(i+1)+"位的元素是："+elements[i]);
        }

        //按值查找（以字符型数组举例）
        //存在两种情况，一种是要查找的元素为null，还有一种是要查找的元素不为null。
        //为了更好地展示，我们将字符数组的第6位保留为null，其余赋值
        for(int i=0;i<size;i++){
            if(i==5) continue;
            else elementsString[i]="abc"+i;
        }
        //输出查看一下数组
        for(int i=0;i<size;i++){
            System.out.println("第"+(i+1)+"位的元素是："+elementsString[i]);
        }

        //下面进行按值查找
        for(int i=0;i<size;i++){
            if(elementsString[i]==null){
                System.out.println("第"+i+"位元素为null");
            }
            else if(elementsString[i].equals("abc6")){
                System.out.println("第"+i+"位元素为"+"abc6");
            }
            else{
                System.out.println("第"+i+"位元素不是你要找的");
            }
        }

        //按位查找:输出特定位置的元素的值
        System.out.println("第i位元素的值为："+elementsString[3]);

        //插入操作
        //很显然，在这里，数组所分配的内存空间其实已经用完了，如果想要插入元素，就会发生数组越界，导致程序崩溃，所以我们需要先进行的是数组扩容
        //数组扩容的方式有两种，固定倍数扩容，和固定值扩容
        //我们首先用固定倍数2进行扩容
        //获取当前数组的长度，尽管这个元素可以用size表示，但是我们更倾向于用size记录结果，即获取的长度，而不是其本身的长度
        int oldCapcity=elements.length;
        //通过位运算将数组扩大一倍
        int newCapacity=oldCapcity<<1;
        int[] newElements=new int[newCapacity];
        //将旧数组复制到新数组中
        for(int i=0;i<size;i++){
            newElements[i]=elements[i];
        }

        int newSize=newElements.length;
        System.out.println("扩容完的数组长度为"+newSize);
        //将新数组打印出来
        for(int i=0;i<newSize;i++){
            System.out.println(newElements[i]);
        }

        //固定值扩容实现起来也一样，只是把上面newCapacity设置为oldCapacity+固定值就行，此处就省略不写

        //数组扩容完成后，还有一步非常重要，那就是将旧数组所占用的内存空间释放掉
        //在Java中，当对象没有指针指向时，就会被自动回收，所以我们只需要将数组指向元素的指针设置为null，整型数组就是设为0，就可以了
        for(int i=0;i<size;i++){
            elements[i]=0;
        }

        //扩容已经完成，下面我们来完成插入元素
        //插入元素分为两种，一种是在数组最后插入元素，一种是在数组中间（或最前面插入元素）
        //我们现在在elements的开头插入99，在第8位插入100，在最后插入101
        //当然，elements已经不存在了，我们所有的操作其实是在newElements上实现的，只是对于逻辑而言，我们还是基于elements进行了扩容以及数据插入
        //对于不是在最后添加元素的，都会涉及部分数据后移，为了避免被覆盖，我们的后移应该从后往前发生
        //开头插入99
        for(int i=newSize-1;i>0;i--){
            newElements[i]=newElements[i-1];
        }
        newElements[0]=99;
        size++;
        for(int i=0;i<newSize;i++){
            System.out.println("第"+i+"位元素为"+newElements[i]);
        }
        System.out.println("插入元素后数组的长度为："+size);

        //在第8位插入100
        for(int i=newSize-1;i>8;i--){
            newElements[i]=newElements[i-1];
        }
        newElements[8]=100;
        size++;
        for(int i=0;i<newSize;i++){
            System.out.println("第"+i+"位元素为"+newElements[i]);
        }
        System.out.println("插入元素后数组的长度为："+size);

        //在末尾插入101
        newElements[size]=101;
        size++;
        for(int i=0;i<newSize;i++){
            System.out.println("第"+i+"位元素为"+newElements[i]);
        }
        System.out.println("插入元素后数组的长度为："+size);

        //我们再来看一下删除操作
        //删除元素分为两种，一种是删除非末尾元素，一种是删除中间（或开头）元素
        //删除首位的99，即数据前移
        for(int i=1;i<newSize;i++){
            newElements[i-1]=newElements[i];
        }
        size--;
        for(int i=0;i<newSize;i++){
            System.out.println("第"+i+"位元素为"+newElements[i]);
        }
        System.out.println("删除元素后数组的长度为："+size);

        //删除第8位的100
        for(int i=8;i<newSize;i++){
            newElements[i-1]=newElements[i];
        }
        size--;
        for(int i=0;i<newSize;i++){
            System.out.println("第"+i+"位元素为"+newElements[i]);
        }
        System.out.println("删除元素后数组的长度为："+size);

        //删除最后的101
        newElements[--size]=0;
        size--;
        for(int i=0;i<newSize;i++){
            System.out.println("第"+i+"位元素为"+newElements[i]);
        }
        System.out.println("删除元素后数组的长度为："+size);
    }
}

注意：

1. 扩容时，固定倍数扩容可以时间最优，固定大小扩容可以空间最优
2. 数组的物理地址也是连续的，无法做到从计算机中再分配一块内存然后与之合并，只能是新申请一块内存进行操作。
3. 扩容后记得删除旧数组。