【数据结构】（C语言）：动态数组

news2024/9/20 20:34:16

动态数组：

  • 内存区域连续，即每个元素的内存地址连续。
  • 可用索引查看元素，数组[索引号]。
  • 指定位置删除元素，该位置之后的元素全部往前移动一位。
  • 指定位置添加元素，从最后到该位置的元素全部往后移动一位。
  • 物理大小：创建数组时，指定的容量大小。逻辑大小：实际已使用的容量大小。
  • 扩容：数组满时，扩大数组的内存空间。（方法：开辟新的内存空间，将原数组内容复制到新的内存区域。）
  • 缩容：数组使用容量远小于数组物理大小时，缩小数组的内存空间。（方法：开辟新的内存空间，将原数组内容复制到新的内存区域。）

C语言实现：

创建结构体数据类型：

typedef struct Array
{
	int *p;			// 数组地址，即连续内存地址的首地址
	int length;		// 数组物理大小，即最大容纳多少元素
	int n;			// 数组逻辑大小，即实际存储多少元素
}Array;        	    // 别名

创建数组变量： 

Array array;

初始化数组：

void init(Array *arr, int len)
{
	arr->p = (int *)malloc(len * sizeof(int));    // 分配数组内存空间
	if(arr->p == NULL)
	{
		perror("Memory allocation failed");
		exit(-1);
	}
	arr->length = len;                            // 指定数组物理大小
	arr->n = 0;                                   // 逻辑大小初始化为0
}

扩容、缩容：

使用realloc动态分配内存空间，若分配新内存，会将内容复制到新地址。

void resize(Array *arr, int len)
{
	int *t = (int *)realloc(arr->p, len * sizeof(int));
	// for(int k = 0; k < arr->n; k++)
	// {
	// 	t[k] = arr->p[k];
	// }
	arr->p = t;
	arr->length = len;
}

添加元素：

若数组满，扩容（本文为内存空间扩大一倍）。

// 在数组尾部添加
void append(Array *arr, int data)
{
	if(arr->length == arr->n)		// 若数组满，扩容一倍
	{
		int newlength = arr->length * 2;	
		resize(arr, newlength);
	}

	arr->p[arr->n] = data;
	arr->n++;                    // 每添加一个元素，逻辑大小+1
}
// 在数组指定位置添加元素
void insert(Array *arr, int i, int data)
{
	if(arr->length == arr->n)		// 数组满，扩容一倍
	{
		int newlength = arr->length * 2;
		resize(arr, newlength);
	}

	if(i < 0 || i > arr->n)         // 检查索引号是否越界
	{
		perror("index out of bounds");
		return ;
	}
	
	// 从最后一个元素到指定位置元素都要往后移动一位，空出位置给新元素
	int k;
	for(k = arr->n - 1; k >= i; k--)
	{
		arr->p[k+1] = arr->p[k];
	}
	arr->p[k + 1] = data;
	arr->n++;
}

删除元素：

若数组实际存储数据小于物理大小的一半，缩容（本文将内存空间缩小一半但不小于4）。

// 从数组尾部删除元素
int pop(Array *arr)
{
	if(arr->n == 0) return -1;

	int value = arr->p[arr->n - 1];
	arr->n--;                         // 每删除一个元素，逻辑大小-1
	
    // 若实际数据<物理大小一半，缩容，但物理大小不小于4	
	if(arr->n < ceil(arr->length / 2) && arr->length > 4)
	{
		int newlength = ceil(arr->length / 2);
		resize(arr, newlength);
	}
	return value;
}
// 在数组指定位置删除元素
int del(Array *arr, int i)
{
	if(i < 0 || i > arr->n || arr->n == 0)   // 检查索引号是否越界
	{
		perror("index out of bounds");
		exit(-1);
	}

	int value = arr->p[i];		// 从指定位置到最后的元素都要往前移动一位
	for(int k = i; k < arr->n; k++)
	{
		arr->p[i] = arr->p[i+1];
	}
	arr->n--;

	if(arr->n < ceil(arr->length / 2) && arr->length > 4)   //  达到条件，缩容
	{
		int newlength = ceil(arr->length / 2);
		resize(arr, newlength);
	}
	return value;
}

遍历数组元素，获取指定位置元素：

// 遍历数组元素
void travel(Array *arr)
{
	if(arr->n == 0) return ;
	
	printf("elements: ");
	for(int k = 0; k < arr->n; k++)
	{
		printf("%d  ", arr->p[k]);
	}
	printf("\n");
}
// 获取指定位置元素
int get(Array *arr, int i)
{
	if(i < 0 || i > arr->n || arr->n == 0)    // 检查索引号是否越界
	{
		perror("index out of bounds");
		exit(-1);
	}
	return arr->p[i];
}

排序（从小到大），倒置（从最后到开头）：

// 排序（从小到大,冒泡排序,还有其他排序方法此处省略）
void sort(Array *arr)
{
	int x = 0;
	for(int k = arr->n-1; k > 0; k--)
	{
		for(int i = 0; i < k; i++)
		{
			if(arr->p[i] > arr->p[i+1])
			{
				int tmp = arr->p[i];
				arr->p[i] = arr->p[i+1];
				arr->p[i+1] = tmp;
				x = 1;
			}
		}
		if(x == 0) break;
	}
}
// 倒置（从最后到开头）
void inverse(Array *arr)
{
	if(arr->n == 0) return;
	for(int i = 0, k = arr->n-1; i < k; i++, k--)
	{
		int tmp = arr->p[i];
		arr->p[i] = arr->p[k];
		arr->p[k] = tmp;
	}
}

完整代码：（array.c）

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <math.h>

/* structure */
typedef struct Array		// array structure
{
	int *p;			// array memory address
	int length;		// maximum number of array
	int n;			// actual number of array
}Array;

/* function prototype */
void init(Array *, int);		// array initialization
void resize(Array *, int);		// increase or reduce the size of the array
void append(Array *, int);		// add element to the end of the array
void insert(Array *, int, int);		// add element to the specify location(start with 0)
void travel(Array *);			// show element one by one
int pop(Array *);			// delete element from the end of the array
int del(Array *, int);			// delete element from the specify location of the array
int get(Array *, int);			// show element at the specify location(start with 0)
void sort(Array *);			// sort array from small to large
void inverse(Array *);			// sort array form end to start

/* main function */
int main(void)
{
	Array array;
	init(&array, 4);
	printf("lenght is %d, actual is %d\n", array.length, array.n);
	append(&array, 2);
	append(&array, 9);
	printf("lenght is %d, actual is %d\n", array.length, array.n);
	travel(&array);
	insert(&array, 1, 12);
	insert(&array, 0, 25);
	printf("lenght is %d, actual is %d\n", array.length, array.n);
	travel(&array);

	get(&array, 2);		// get element that index=2(start with 0)
	sort(&array);		// sort from small to large
	travel(&array);
	inverse(&array);	// sort from end to start
	travel(&array);

	append(&array, 66);	// actual length > length,need increase the size of the array
	printf("lenght is %d, actual is %d\n", array.length, array.n);
	travel(&array);

	del(&array, 3);
	printf("lenght is %d, actual is %d\n", array.length, array.n);
	travel(&array);
	pop(&array);		// actual length < length/2,need reduce the size of the array
	printf("lenght is %d, actual is %d\n", array.length, array.n);
	travel(&array);
	pop(&array);
	pop(&array);
	pop(&array);
	printf("lenght is %d, actual is %d\n", array.length, array.n);
	travel(&array);
	
	return 0;
}

/* subfunction */
void init(Array *arr, int len)		// array initialization
{
	arr->p = (int *)malloc(len * sizeof(int));
	if(arr->p == NULL)
	{
		perror("Memory allocation failed");
		exit(-1);
	}
	arr->length = len;
	arr->n = 0;
}

void resize(Array *arr, int len)		// increase or reduce the size of the array
{
	int *t = (int *)realloc(arr->p, len * sizeof(int));
	//for(int k = 0; k < arr->n; k++)
	//{
	//	t[k]= arr->p[k];
	//}
	arr->p = t;
	arr->length = len;	
}

void append(Array *arr, int data)		// add element to the end of the array
{
	if(arr->length == arr->n)		// if array is full, expand the array to double size
	{
		int newlength = arr->length * 2;	
		resize(arr, newlength);
	}

	arr->p[arr->n] = data;
	arr->n++;
}

void insert(Array *arr, int i, int data)	// add element to the specify location(start with 0)
{
	if(arr->length == arr->n)		// if array is full, expand the array to double size
	{
		int newlength = arr->length * 2;
		resize(arr, newlength);
	}

	if(i < 0 || i > arr->n)
	{
		perror("index out of bounds");
		return ;
	}
	
	int k;
	for(k = arr->n - 1; k >= i; k--)	// from end to i,each element move back a place
	{
		arr->p[k+1] = arr->p[k];
	}
	arr->p[k + 1] = data;			// leave an empty slot for the new element
	arr->n++;
}

void travel(Array *arr)			// show element one by one
{
	if(arr->n == 0) return ;
	
	printf("elements: ");
	for(int k = 0; k < arr->n; k++)
	{
		printf("%d  ", arr->p[k]);
	}
	printf("\n");
}

int pop(Array *arr)			// delete element from the end of the array
{
	if(arr->n == 0) return -1;

	int value = arr->p[arr->n - 1];
	arr->n--;
		
	if(arr->n < ceil(arr->length / 2) && arr->length > 4)   //  reduce the size of array
	{
		int newlength = ceil(arr->length / 2);
		resize(arr, newlength);
	}
	return value;
}

int del(Array *arr, int i)		// delete element from the specify location of the array
{
	if(i < 0 || i > arr->n || arr->n == 0)
	{
		perror("index out of bounds");
		exit(-1);
	}

	int value = arr->p[i];		// from i to end,each element move forward one place
	for(int k = i; k < arr->n; k++)
	{
		arr->p[i] = arr->p[i+1];
	}
	arr->n--;

	if(arr->n < ceil(arr->length / 2) && arr->length > 4)   //  reduce the size of array
	{
		int newlength = ceil(arr->length / 2);
		resize(arr, newlength);
	}
	return value;
}

int get(Array *arr, int i)		// show element at the specify location(start with 0)
{
	if(i < 0 || i > arr->n || arr->n == 0)
	{
		perror("index out of bounds");
		exit(-1);
	}
	return arr->p[i];
}

void sort(Array *arr)			// sort array from small to large
{
	int x = 0;
	for(int k = arr->n-1; k > 0; k--)
	{
		for(int i = 0; i < k; i++)
		{
			if(arr->p[i] > arr->p[i+1])
			{
				int tmp = arr->p[i];
				arr->p[i] = arr->p[i+1];
				arr->p[i+1] = tmp;
				x = 1;
			}
		}
		if(x == 0) break;
	}
}

void inverse(Array *arr)		// sort array form end to start
{
	if(arr->n == 0) return;
	for(int i = 0, k = arr->n-1; i < k; i++, k--)
	{
		int tmp = arr->p[i];
		arr->p[i] = arr->p[k];
		arr->p[k] = tmp;
	}
}

编译链接： gcc -o array array.c

执行可执行文件： ./array

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