# 数组 Array

作者:小傅哥
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沉淀、分享、成长,让自己和他人都能有所收获!😄

# 一、前言

数组是数据结构还是数据类型?

数组只是个名称,它可以描述一组操作,也可以命名这组操作。数组的数据操作,是通过 idx->val 的方式来处理。它不是具体要求内存上要存储着连续的数据才叫数据,而是说,通过连续的索引 idx,也可以线性访问相邻的数据。

那么当你定义了数据的存储方式,也就定义了数据结构。所以它也是被归类为数据结构。

# 二、数组数据结构

数组(Array)是一种线性表数据结构。它用一组连续的内存空间,来存储一组具有相同类型数据的集合。

数组的特点:

  1. 数组是相同数据类型的元素集合(int 不能存放 double)
  2. 数组中各元素的存储是有先后顺序的,它们在内存中按照这个顺序连续存放到一起。内存地址连续。
  3. 数组获取元素的时间复杂度为O(1)

# 1. 一维数组

一维数组是最常用的数组,其他很多数据结构的变种也都是从一维数组来的。例如 HashMap 的拉链寻址结构,ThreadLocal 的开放寻址结构,都是从一维数组上实现的。

# 2. 二维数组

二维以及多维数组,在开发场景中使用到的到是不多,不过在一些算法逻辑,数学计算中到是可以使用。

# 三、实现数组列表

在 Java 的源码中,数组是一个非常常用的数据结构,很多其他数据结构也都有数组的影子。在一些数据存放和使用的场景中,基本也都是使用 ArrayList 而不是 LinkedList,具体性能分析参考:LinkedList插入速度比ArrayList快?你确定吗? (opens new window)

那么本章节我们就借着数组结构的学习,实现一个简单的 ArrayList,让使用 Java 的读者既能了解学习数据结构,也能了解到 Java 源码实现。

# 1. 基本设计

数组是一个固定的、连续的、线性的数据结构,那么想把它作为一个自动扩展容量的数组列表,则需要做一些扩展。

/**
 * 默认初始化空间
 */
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
/**
 * 空元素
 */
private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};
/**
 * ArrayList 元素数组缓存区
 */
transient Object[] elementData;
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  1. 初始化 ArrayList 阶段,如果不指定大小,默认会初始化一个空的元素。这个时候是没有默认长度的。
  2. 那么什么时候给初始化的长度呢?是在首次添加元素的时候,因为所有的添加元素操作,也都是需要判断容量,以及是否扩容的。那么在 add 添加元素时统一完成这个事情,还是比较好处理的。
  3. 之后就是随着元素的添加,容量是会不足的。当容量不足的是,需要进行扩容操作。同时还得需要把旧数据迁移到新的数组上。所以数据的迁移算是一个比较耗时的操作

# 2. 添加元素

public boolean add(E e) {
    // 确保内部容量
    int minCapacity = size + 1;
    if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
        minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
    }
    // 判断扩容操作
    if (minCapacity - elementData.length > 0) {
        int oldCapacity = elementData.length;
        int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
        if (newCapacity - minCapacity < 0) {
            newCapacity = minCapacity;
        }
        elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
    }
    // 添加元素
    elementData[size++] = e;
    return true;
}
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这是一份简化后的 ArrayList#add 操作

  1. 判断当前容量与初始化容量,使用 Math.max 函数取最大值最为最小初始化空间。
  2. 接下来是判断 minCapacity 和元素的数量,是否达到了扩容。首次创建 ArrayList 是一定会扩容的,也就是初始化 DEFAULT_CAPACITY = 10 的容量。
  3. Arrays.copyOf 实际上是创建一个新的空间数组,之后调用的 System.arraycopy 迁移到新创建的数组上。这样后续所有的扩容操作,也就都保持统一了。
  4. ArrayList 扩容完成后,就是使用 elementData[size++] = e; 添加元素操作了。

# 3. 移除元素

ArrayList 的重点离不开对 System.arraycopy 的使用,它是一个本地方法,可以让你从原数组的特定位置,迁移到新数组的指定位置和迁移数量。如图 2-5 所示,数据迁移 测试代码在 java-algorithms

删除元素

public E remove(int index) {
    E oldValue = (E) elementData[index];
    int numMoved = size - index - 1;
    if (numMoved > 0) {
        // 从原始数组的某个位置,拷贝到目标对象的某个位置开始后n个元素
        System.arraycopy(elementData, index + 1, elementData, index, numMoved);
    }
    elementData[--size] = null; // clear to let GC do its work
    return oldValue;
}
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  • ArrayList 的元素删除,就是在确定出元素位置后,使用 System.arraycopy 拷贝数据方式移动数据,把需要删除的元素位置覆盖掉。
  • 此外它还会把已经删除的元素设置为 null 一方面让我们不会在读取到这个元素,另外一方面也是为了 GC

# 4. 获取元素

public E get(int index) {
    return (E) elementData[index];
}
@Override
public String toString() {
    return "ArrayList{" +
            "elementData=" + Arrays.toString(elementData) +
            ", size=" + size +
            '}';
}
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  • 获取元素就比较简单了,直接从 elementData 使用索引直接获取即可。这个是一个 O(1) 操作。也正因为搜索元素的便捷性,才让 ArrayList 使用的那么广泛。同时为了兼容可以通过元素来获取数据,而不是直接通过下标,引出了 HashMap 使用哈希值计算下标的计算方式,也引出了斐波那契散列。它们的设计都是在尽可能减少元素碰撞的情况下,尽可能使用贴近 O(1) 的时间复杂度获取数据。这些内容的学习可以阅读小傅哥的《Java面经手册》也可以随着本系列章节内容的铺设逐步覆盖到算法后进行学习

# 四、数组列表测试

@Test
public void test_array_list() {
    cn.bugstack.algorithms.data.array.List<String> list = new ArrayList<>();
    list.add("01");
    list.add("02");
    list.add("03");
    list.add("04");
    list.add("05");
    list.add("06");
    list.add("07");
    list.add("08");
    list.add("09");
    list.add("10");
    list.add("11");
    list.add("12");
    
    System.out.println(list);
    
    list.remove(9);
    
    System.out.println(list);
}
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测试结果

ArrayList{elementData=[01, 02, 03, 04, 05, 06, 07, 08, 09, 10, 11, 12, null, null, null], size=12}
ArrayList{elementData=[01, 02, 03, 04, 05, 06, 07, 08, 09, 11, 12, null, null, null, null], size=11}

Process finished with exit code 0
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  • 测试案例中包括了在我们自己实现的 ArrayList 中顺序添加元素,逐步测试扩容迁移元素,以及删除元素后数据的迁移。
  • 最终的测试结果可以看到,一共有12个元素,其中idx=9的元素被删除前后,元素的迁移变化。

# 六、常见面试问题

  1. 数据结构中有哪些是线性表数据结构?
  2. 数组的元素删除和获取,时间复杂度是多少?
  3. ArrayList 中默认的初始化长度是多少?
  4. ArrayList 中扩容的范围是多大一次?
  5. ArrayList 是如何完成扩容的,System.arraycopy 各个入参的作用是什么?

# 七、读者作业