数组的实现原理（Java版）

news2024/9/29 23:23:14

一.数组是什么？

内存分配：

特点：

数组的实现原理：

时间复杂度：

二.Java数组的实现：

总结：

一.数组是什么？

数组（Array） 是一种数据结构，用于存储相同类型的元素集合。数组在内存中是连续分配的，所有的元素都使用相同的数据类型，并且可以通过下标（索引）来访问特定元素。数组是一种常见的线性数据结构，适合用于高效的随机访问操作。

内存分配：

//8字节的markword
//4字节的class指针（压缩class指针的情况）
//4字节的数组大小（决定了数组最大容量是2的32次方）
//java中所有的对象大小都是8字节的整数倍，不足的要用对齐字节补足
//int[] array = {1,2,3,4,5} => 8 + 4 + 4 + 5 * 4 + 4(alignment补齐) = 40字节

特点：

固定大小：数组在创建时需要指定大小，大小一旦确定，不能更改。
连续内存空间：数组的元素在内存中是连续存储的，这使得它在读取时可以快速通过索引定位。
索引从0开始：数组的索引是从0开始的，第一个元素的索引是0，最后一个元素的索引是 长度 - 1。
相同类型元素：数组中的所有元素必须是相同的数据类型。

数组的实现原理：

存储结构：数组在内存中以连续的地址空间存储。假设数组的起始地址为 base_address，每个元素的大小为 size，则索引为 i 的元素的地址为 base_address + i * size。这使得数组可以通过索引在常数时间内（O(1)）访问任意元素。
访问时间复杂度：由于数组元素在内存中的地址是可以直接计算的，数组的读取操作（通过索引）时间复杂度为 O(1)，即随机访问非常高效。
缺点：由于数组大小固定，插入和删除操作在数组中相对较慢，特别是当需要在数组中间插入或删除元素时，时间复杂度为 O(n)。

时间复杂度：

访问元素

O(1)

直接通过索引访问

修改元素

O(1)

直接通过索引修改

查找元素

O(n)

必须遍历整个数组（线性查找）

插入元素

O(n)

插入元素需要移动后续元素

删除元素

O(n)

删除元素后需要移动后续元素

二.Java数组的实现：

Java的数组扩容机制：先创建更大容量的数组，然后将原来数组内的元素复制到新的数组，以此用新数组代替旧数组。

package ArrayStudy;

import java.util.Arrays;
import java.util.Iterator;
import java.util.function.Consumer;
import java.util.stream.IntStream;

public class ArrayListCreateCode implements Iterable<Integer> {
    //创建动态数组ArrayList
    //size => 动态数组有效元素个数
    //容量扩容 => 先创建更大容量的数组，然后将原来数组内的元素复制到新的数组，以此用新数组代替旧数组

    private int size = 0;//逻辑大小
    private int capacity = 8;//容量
    private int[] array = {};//空数组，懒加载（刚开始没用就不数组的情况就不会加载，如果需要此数组就）

    //新增元素
    public void addList(int element){
//        array[size] = element;
//        size++;
        add(size, element);
    }

    // 插入元素
    public void add(int index,  int element){
        checkAndGrow();
        // 添加逻辑
        if(index >= 0 && index < size){
            //数组间或数组内的元素拷贝(想要拷贝的数组,从哪拷贝,拷贝到的数组,拷贝到的数组的索引位置开始拷贝,拷贝元素个数)
            System.arraycopy(array,index,
                    array,index + 1,size - index);
        }
        array[index] = element;//插入元素
        size++;
    }

    private void checkAndGrow() {
        if(size == 0){
            array = new int[capacity];
        }else if(size == capacity){
            // 进行扩容 1.5倍
            capacity += capacity >> 1;
            int[] newArray = new int[capacity];
            System.arraycopy(array, 0, newArray, 0, size);
            array = newArray;// 新数组取代旧数组
        }
    }

    // 获取元素
    public int get(int index){
        return array[index];
    }


    // 遍历数组 => 以函数式接口的形式写出
    public void foreach(Consumer<Integer> consumer){
        for(int i = 0; i < size; i++){
            System.out.println(array[i]);
            // 返回void
            // 提供array[i]
            // 上两条分析后可以使用Consumer
            consumer.accept(array[i]);
        }
    }

    // 迭代器遍历
    @Override
    public Iterator<Integer> iterator(){
        // 匿名内部类
        return new Iterator<Integer>() {
            int i = 0;
            @Override
            public boolean hasNext() {// 有没有下一个元素
                return i < size;
            }

            @Override
            public Integer next() {// 返回当前元素，并移动到下一个元素
                return array[i++];
            }
        };
    }

    // (整数)流的遍历
    public IntStream stream(){
        return IntStream.of(Arrays.copyOfRange(array,0,size));// 选择有效部分流式返回
    }

    // 删除元素
    public int remove(int index){
        int removed = array[index];
        System.arraycopy(array,index + 1,
                array,index,size - index - 1);
        size--;
        return removed;
    }
}