Java数据结构-线性表之顺序表ArrayList


线性表的顺序存储结构，也称为顺序表，指用一段连续的存储单元依次存储线性表中的数据元素。

根据顺序表的特性，我们用数组来实现顺序表，下面是我通过数组实现的Java版本的顺序表。

package com.phn.datestructure;
/**
 * @author 潘海南
 * @Email [email protected]
 * @TODO 顺序表
 * @date 2015年7月16日
 */
public class FOArrayList<E> {
    // 顺序表长度
    private int size;
    // 顺序表默认数组为null
    private Object[] data = null;
    // 顺序表中数组的初始化长度
    private int capacity;
    // 顺序表默认初始化长度
    private static final int DEFUALT_INITIAL_SIZE = 0;
    /**
     * 默认无参构造函数
     */
    public FOArrayList() {
        this(DEFUALT_INITIAL_SIZE);
    }
    /**
     * @TODO 带参构造函数
     * @param initialSize 初始化顺序表长度
     */
    public FOArrayList(int initialSize) {
        if (initialSize < 0) {
            throw new RuntimeException("数组大小错误:" + initialSize);
        }
        this.data = new Object[initialSize];
        this.capacity = initialSize;
        this.setSize();
    }
    /**
     * @TODO 设置顺序表的长度
     */
    private void setSize() {
        this.size = 0;
    }
    /**
     * @TODO 获取顺序表的长度
     * @return size 顺序表的长度
     */
    public int size() {
        return this.size;
    }
    /**
     * @TODO 顺序表添加元素
     * @param e 数据元素类型
     * @return true
     */
    public boolean add(E e) {
        ensureSize(size);
        this.data[size] = e;
        this.size++;
        return true;
    }
    /**
     * @TODO 顺序表插入元素
     * @param index 插入位置
     * @param e 数据元素类型
     * @return true
     */
    public boolean insert(int index, E e) {
        if (index >= 0 && index <= size) {
            ensureSize(size);
            E temp = (E) this.data[index - 1];
            this.data[index - 1] = e;
            this.size++;
            for (int i = index; i <= size; i++) {
                E temp2 = (E) this.data[i];
                this.data[i] = temp;
                temp = temp2;
            }
        } else {
            throw new RuntimeException("数组下标错误：" + index);
        }
        return true;
    }
    /**
     * @TODO 顺序表删除元素
     * @param index 将要删除的元素的索引位置
     * @return E 删除的元素
     */
    public E remove(int index) {
        validateIndex(index);
        E e = (E) this.data[index];
        for (int i = index; i < size - 1; i++) {
            this.data[i] = this.data[i + 1];
        }
        this.size--;
        return e;
    }
    /**
     * @TODO 根据元素索引位置获取元素
     * @param index 元素的索引位置
     * @return E 元素e
     */
    public E get(int index) {
        validateIndex(index);
        return (E) this.data[index];
    }
    /**
     * @TODO 将顺序表中索引位置为i的元素修改为元素e
     * @param index 元素的索引位置
     * @param e 需要修改成的元素
     * @return true 修改成功标志
     */
    public boolean set(int index, E e) {
        validateIndex(index);
        this.data[index] = e;
        return true;
    }
    @Override
    public String toString() {
        return this.arrayToString(data);
    }
    /**
     * @TODO 获取字符串形式的顺序表中的数组序列
     * @param a 顺序表中的数组
     * @return String 字符串形式的顺序表中的数组序列
     */
    private String arrayToString(Object[] a) {
        if (a == null)
            return "null";
        int iMax = this.size - 1;
        if (iMax == -1)
            return "[]";
        StringBuilder b = new StringBuilder();
        b.append('[');
        for (int i = 0;; i++) {
            b.append(String.valueOf(a[i]));
            if (i == iMax)
                return b.append(']').toString();
            b.append(", ");
        }
    }
    /**
     * @TODO 验证所给索引位置是否合法
     * @param index 给出的索引位置
     */
    private void validateIndex(int index) {
        if (index >= this.size || index <= 0) {
            throw new RuntimeException("数组下标错误：" + index);
        }
    }
    /**
     * @TODO 判断是否需要扩充顺序表容量
     * @param currentSize 当前顺序表的大小
     */
    private void ensureSize(int currentSize) {
        if (currentSize == capacity) {
            this.capacity = (this.capacity * 3) / 2 + 1;
            Object[] newData = new Object[this.capacity];
            for (int i = 0; i < currentSize; i++) {
                newData[i] = this.data[i];
            }
            this.data = newData;
        }
    }
}

主要注意上述3个私有成员变量，如下：

// 顺序表长度
private int size;
// 顺序表中数组的初始化长度
private int capacity;
// 顺序表默认数组为null
private Object[] data = null;

如同注释解释的那样，size用来表示顺序表的长度，data用来表示数组,而capacity用来表示数组的长度.
相信data应该比较好理解，而对应的两个长度变量相对难理解一些，下面解释一下：

  • size指的是对外界访问这个顺序表的长度时展示的值，是顺序表中数据元素的个数，随顺序表插入和删除操作而会进行改变；
  • capacity表示的是data数组的长度，实际上也是整个顺序表的容量，在顺序表初始化的时候可以赋值，或者之后可以调用顺序表的扩容来进行改变；
  • size是小于等于capacity的。

这里主要讲讲顺序表的插入和删除：
顺序表的插入演示如图所示：

根据图片可以看出插入一个元素后，插入位置之后的元素都需要向后移动一个位置。
删除操作则是插入操作的逆过程，删除位置之后的元素都需要向前移动一个位置。

时间复杂度分析：

  • 在顺序表进行存入，查找和修改时，平均时间复杂度都是O(1)；
  • 而在进行插入和删除操作时，最快时为O(1),最慢时为O(n)，所以平均时间复杂度为O(n)。

解释：上述的存入和插入有区别，存入表示存储在数组末尾，而插入表示插入在任意位置。

优缺点分析：
优点：

  • 不用为表示表中数据元素之间的逻辑关系而增加额外的存储空间；

  • 可以快速的存取表中任意位置的元素。
    缺点：

  • 插入和删除操作需要移动大量元素；

  • 当线性表的长度变化较大的时候，很难确定存储空间的容量；
  • 容易造成存储空间的“碎片”。 

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