数据结构与算法--顺序表(Java)

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什么是顺序表？

• 顺序表 是一种线性表的数据结构。
• 顺序表是用一组地址连续 的存储单元依次存储线性表中的数据元素。

顺序表的主要特点：

1. 逻辑上相邻的元素在物理位置上也相邻。
2. 可以随机访问表中的任意元素，通过元素的位置序号可以在 O(1) 的时间复杂度内直接获取对应元素。
3. 插入和删除操作的效率相对较低。例如，在顺序表的中间位置插入一个元素，需要移动大量后续元素，时间复杂度为 O(n) ；删除操作同理。

顺序表的优点：

1. 随机访问速度快，能够快速获取指定位置的元素。
2. 存储密度高，不需要额外的指针来链接元素。

顺序表的缺点：

1. 长度固定，不易扩展。
2. 插入和删除操作可能涉及大量元素的移动，效率较低。

举个例子，如果有一个顺序表存储了学生的成绩 [85, 90, 78, 95, 88] ，如果要获取第三个学生的成绩，直接通过索引 2 就能快速得到 78 。但如果要在第二个位置插入一个新成绩 80 ，就需要将后面的元素 90, 78, 95, 88 依次向后移动一位，然后再插入 80 。

顺序表在很多程序设计中都有应用，比如简单的数组实现、一些对随机访问要求较高而插入删除操作较少的场景等，今天我们用java来简单实现一下顺序表。

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构造方法：

首先，构造一个顺序表，需要int capacity 表示顺序表的内存大小(这里先传入一个值作为参数，后面内存不够用我们会有专门申请内存的方法)、int size表示表里面元素的个数、Object [] array 来命名这个顺序表，这时候一个最基本的顺序表就被构造出来了，以下是代码实现：

public class Linear_List<E> {

    private  int capacity = 10;
    private int size=0;
    private Object [] array = new Object [capacity];

添加方法：

要对顺序表array进行添加操作，需要传入两个参数 泛型 element 以及 int index，代表在index下标插入 泛型 element。

注意：这里需要判断 index 和 size 的大小，如果index<0 || index>size,则理应抛出错误。

在index位置插入元素，只需要将原来index以及index后面的元素往后移一位，空出来的位置给element即可。下面是添加方法的代码实现：

public void add(E element , int index) {
        if (index<0 || index>size)
            throw new IndexOutOfBoundsException("Index out of bounds");
        for (int i = size; i >index; i--) {
        array[i] = array[i-1];
        }
        array[index] = element;
        size++;
    }

但是当顺序表中存储的元素数量达到当前分配的存储空间上限时，就需要进行扩容。具体来说，常见的情况有：

• 持续向顺序表中添加元素，导致已分配的存储空间被填满。

例如，最初分配的顺序表空间能存储 10 个整数，当已经存储了 10 个整数后，如果还需要继续添加新的整数，就需要扩容。

• 事先无法准确预估元素数量，且实际存储的元素数量超出了初始的预计。

假设一个用于存储用户订单信息的顺序表，由于促销活动导致订单数量大幅增加，超出了初始分配的空间。

• 业务需求发生变化，导致需要存储更多的元素。

比如原本的系统只需要存储一个月内的交易记录，但业务调整后需要存储半年甚至更长时间的交易记录，原有的顺序表空间可能就不够了。

在进行扩容时，通常会重新分配一块更大的连续存储空间 ，并将原有的元素复制到新的空间中。扩容的策略可以是按照一定的比例增加空间，例如每次扩容为原来的两倍；也可以是增加固定的大小，如每次增加一定数量的存储单元，原来的那块空间也并不会造成空间浪费，通常会被JVM的垃圾回收机制自动回收。

通常把扩容操作放在添加方法内部，因为在添加元素时才会有可能需要用到扩容操作，以下是添加了扩容操作的添加方法的代码实现：

public void add(E element, int index) {
    // 如果索引不在有效范围内，抛出异常
    if (index < 0 || index > size)
        throw new IndexOutOfBoundsException("Index out of bounds");
    // 如果当前元素数量达到容量，进行扩容操作
    if (size >= capacity) {  
        int newCapacity = capacity * 2;  // 新容量为原容量的两倍
        Object[] newArray = new Object[newCapacity];  // 创建新的数组
        System.arraycopy(array, 0, newArray, 0, size);  // 将原数组内容复制到新数组
        array = newArray;  // 更新数组引用
        capacity = newCapacity;  // 更新容量
    }
    // 将指定索引及之后的元素向后移动一位
    for (int i = size; i > index; i--) {
        array[i] = array[i - 1];
    }
    array[index] = element;  // 在指定索引位置插入新元素
    size++;  // 元素数量加 1
}

删除方法：

首先，要检查删除操作中指定的索引是否合法。如果索引小于 0 或者大于等于顺序表的当前元素数量，就会抛出一个索引越界的异常，因为这样的索引不存在有效的元素可删除。

若索引合法，就将指定索引位置之后的元素依次向前移动一位，覆盖要删除的元素位置。然后，把原本顺序表的最后一个位置设置为 null，并将顺序表的元素数量减 1，表示完成了一个元素的删除操作。以下是删除方法的代码实现：

public E remove(int index) {
        if (index<0 || index>size-1)  throw new IndexOutOfBoundsException("Index out of bounds");
        E key = (E) array[index];
        for (int i = index; i <size; i++) {
            array[i] = array[i+1];
        }size--;
        return key;
    }

判空和get方法：

**判空方法通常用于判断顺序表是否为空。**这可以通过检查顺序表中元素的数量来实现。如果元素数量为 0 ，则认为顺序表为空。

**get方法用于获取顺序表中指定索引位置的元素。**在实现时，需要先检查索引的合法性，如果索引不合法（小于 0 或大于等于元素数量），则抛出异常。如果索引合法，就返回该索引位置的元素。以下是两种方法的代码实现：

 public boolean is_Empty(){
        return size==0;
    }

    public E get(int index) {
        if (index<0 || index>size-1)  throw new IndexOutOfBoundsException("Index out of bounds");
        return (E) array[index];
    }

转字符串输出(toString)方法：

toString方法其主要目的是将顺序表的相关信息以字符串的形式进行展示。通常会先获取顺序表中实际存储元素的数组部分，并将其转换为字符串表示。同时，还会获取顺序表中当前元素的数量。

当调用顺序表对象的 toString 方法时，就能得到一个清晰反映顺序表内部状态的字符串描述，方便进行输出、调试或其他需要以字符串形式获取顺序表信息的操作。以下是toString方法的代码实现：

    public String toString() {
        StringBuilder builder = new StringBuilder();
        for (int i = 0; i < size; i++){
        builder.append(array[i]).append(" "); }
        return builder.toString();
    }

完整代码实现：

public class Linear_List<E> {

    private  int capacity = 10;
    private int size=0;
    private Object [] array = new Object [capacity];
    public void add(E element , int index) {
        if (index<0 || index>size)
            throw new IndexOutOfBoundsException("Index out of bounds");
        if (size>=capacity){  // 扩容
            int newCapacity = capacity*2;
            Object[] newArray = new Object[newCapacity];
            System.arraycopy(array,0,newArray,0,size);
            array = newArray;
            capacity = newCapacity;
        }
        for (int i = size; i >index; i--) {
        array[i] = array[i-1];
        }
        array[index] = element;
        size++;
    }

    public E remove(int index) {
        if (index<0 || index>size-1)  throw new IndexOutOfBoundsException("Index out of bounds");
        E key = (E) array[index];
        for (int i = index; i <size; i++) {
            array[i] = array[i+1];
        }size--;
        return key;
    }

    public boolean is_Empty(){
        return size==0;
    }

    public E get(int index) {
        if (index<0 || index>size-1)  throw new IndexOutOfBoundsException("Index out of bounds");
        return (E) array[index];
    }

    public String toString() {
        StringBuilder builder = new StringBuilder();
        for (int i = 0; i < size; i++) { builder.append(array[i]).append(" "); }
        return builder.toString();
    }
}

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"静静地目送，享受这一刻，在混乱之中。"------《xingyu_xuan》