Java常见数据结构与算法-数组(array)

数组,可以说数组几乎能表示一切的数据结构,在每一门编程语言中,数组都是重要的数据结构,当然每种语言对数组的实现和处理也不相同,但是本质是都是用来存放数据的的结构。

1:数组:

在Java中,数组是用来存放同一种数据类型的集合,注意只能存放同一种数据类型。

①、数组的声明

  第一种方式:

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数据类型 []  数组名称 =  new  数据类型[数组长度];

 第一种方式:

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数据类型 []  数组名称 =  new  数据类型[数组长度];

  这里 [] 可以放在数组名称的前面,也可以放在数组名称的后面,我们推荐放在数组名称的前面,这样看上去 数据类型 [] 表示的很明显是一个数组类型,而放在数组名称后面,则不是那么直观。

  第二种方式:

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数据类型 [] 数组名称 = {数组元素 1 ,数组元素 2 ,......}

  这种方式声明数组的同时直接给定了数组的元素,数组的大小有给定的数组元素个数决定。

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//声明数组1,声明一个长度为3,只能存放int类型的数据
int  [] myArray =  new  int [ 3 ];
//声明数组2,声明一个数组元素为 1,2,3的int类型数组
int  [] myArray2 = { 1 , 2 , 3 };

  ②、访问数组元素以及给数组元素赋值

  数组是存在下标索引的,通过下标可以获取指定位置的元素,数组小标是从0开始的,也就是说下标0对应的就是数组中第1个元素,可以很方便的对数组中的元素进行存取操作。

  前面数组的声明第二种方式,我们在声明数组的同时,也进行了初始化赋值。

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//声明数组,声明一个长度为3,只能存放int类型的数据
int  [] myArray =  new  int [ 3 ];
//给myArray第一个元素赋值1
myArray[ 0 ] =  1 ;
//访问myArray的第一个元素
System.out.println(myArray[ 0 ]);

  上面的myArray 数组,我们只能赋值三个元素,也就是下标从0到2,如果你访问 myArray[3] ,那么会报数组下标越界异常。

  ③、数组遍历

  数组有个 length 属性,是记录数组的长度的,我们可以利用length属性来遍历数组。

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//声明数组2,声明一个数组元素为 1,2,3的int类型数组
int  [] myArray2 = { 1 , 2 , 3 };
for ( int  i =  0  ; i < myArray2.length ; i++){
     System.out.println(myArray2[i]);
}

数组常见算法:

1:冒泡排序:

冒泡算法的运作规律如下:

  ①、比较相邻的元素。如果第一个比第二个大,就交换他们两个。

  ②、对每一对相邻元素作同样的工作,从开始第一对到结尾的最后一对。这步做完后,最后的元素会是最大的数(也就是第一波冒泡完成)。

  ③、针对所有的元素重复以上的步骤,除了最后一个。

  ④、持续每次对越来越少的元素重复上面的步骤,直到没有任何一对数字需要比较。

package test;
public class array {
    public  static void main(String[] arg){
        int flag;
        int [] intarray={12,5,3,7,5,9,10,4,89};
        for(int i=0;i<intarray.length;i++){
            for(int j=i+1;j<intarray.length;j++){
                if (intarray[j]<intarray[i]) {
                    flag=intarray[i];
                    intarray[i]=intarray[j];
                    intarray[j]=flag;
                }
                }
            }
            for (int name:intarray){
                    System.out.print(name+"'");
            }
        }
    }

输出结果为:

3'4'5'5'7'9'10'12'89'

冒泡排序解释:

  冒泡排序是由两个for循环构成,第一个for循环的变量 i 表示总共需要多少轮比较,第二个for循环的变量 j 表示每轮参与比较的元素下标【0,1,......,length-i】,因为每轮比较都会出现一个最大值放在最右边,所以每轮比较后的元素个数都会少一个,这也是为什么 j 的范围是逐渐减小的。相信大家理解之后快速写出一个冒泡排序并不难。

  冒泡排序性能分析:

  假设参与比较的数组元素个数为 N,则第一轮排序有 N-1 次比较,第二轮有 N-2 次,如此类推,这种序列的求和公式为:

  (N-1)+(N-2)+...+1 = N*(N-1)/2

  当 N 的值很大时,算法比较次数约为 N2/2次比较,忽略减1。

  假设数据是随机的,那么每次比较可能要交换位置,可能不会交换,假设概率为50%,那么交换次数为 N2/4。不过如果是最坏的情况,初始数据是逆序的,那么每次比较都要交换位置。

  交换和比较次数都和N2 成正比。由于常数不算大 O 表示法中,忽略 2 和 4,那么冒泡排序运行都需要 O(N2) 时间级别。

  其实无论何时,只要看见一个循环嵌套在另一个循环中,我们都可以怀疑这个算法的运行时间为 O(N2)级,外层循环执行 N 次,内层循环对每一次外层循环都执行N次(或者几分之N次)。这就意味着大约需要执行N2次某个基本操作。

2:选择排序:

选择排序是每一次从待排序的数据元素中选出最小的一个元素,存放在序列的起始位置,直到全部待排序的数据元素排完。

  分为三步:

  ①、从待排序序列中,找到关键字最小的元素

  ②、如果最小元素不是待排序序列的第一个元素,将其和第一个元素互换

  ③、从余下的 N - 1 个元素中,找出关键字最小的元素,重复(1)、(2)步,直到排序结束

package test;

public class array {

    public  static void main(String[] arg){
        int flag;
        int [] intarray={12,11,3,7,5,9,10,4,89};
        for(int i=0;i<intarray.length-1;i++){
            int min =i;
            for(int j=i+1;j<intarray.length;j++){
                    if(intarray[min]>intarray[j]){
                        min=j;
                    }
            }
            if(i!=min){
                flag=intarray[min];
                intarray[min]=intarray[i];
                intarray[i]=flag;
            }
            }
            for (int name:intarray){
                    System.out.print(name+"'");
            }
        }
    }
输出结果为:
3'4'5'7'9'10'11'12'89'

 选择排序性能分析:

  选择排序和冒泡排序执行了相同次数的比较:N*(N-1)/2,但是至多只进行了N次交换。

  当 N 值很大时,比较次数是主要的,所以和冒泡排序一样,用大O表示是O(N2) 时间级别。但是由于选择排序交换的次数少,所以选择排序无疑是比冒泡排序快的。当 N 值较小时,如果交换时间比选择时间大的多,那么选择排序是相当快的。

3:插入排序:

 直接插入排序基本思想是每一步将一个待排序的记录,插入到前面已经排好序的有序序列中去,直到插完所有元素为止。

  插入排序还分为直接插入排序、二分插入排序、链表插入排序、希尔排序等等,这里我们只是以直接插入排序讲解,后面讲高级排序的时候会将其他的。

  int  j;
         //从下标为1的元素开始选择合适的位置插入,因为下标为0的只有一个元素,默认是有序的
         for ( int  i =  1  ; i < array.length ; i++){
             int  tmp = array[i]; //记录要插入的数据
             j = i;
             while (j >  0  && tmp < array[j- 1 ]){ //从已经排序的序列最右边的开始比较,找到比其小的数
                 array[j] = array[j- 1 ]; //向后挪动
                 j--;
             }
             array[j] = tmp; //存在比其小的数,插入
         }
         return  array;
     }

 在第一轮排序中,它最多比较一次,第二轮最多比较两次,一次类推,第N轮,最多比较N-1次。因此有 1+2+3+...+N-1 = N*(N-1)/2。

  假设在每一轮排序发现插入点时,平均只有全体数据项的一半真的进行了比较,我们除以2得到:N*(N-1)/4。用大O表示法大致需要需要 O(N2) 时间级别。

  复制的次数大致等于比较的次数,但是一次复制与一次交换的时间耗时不同,所以相对于随机数据,插入排序比冒泡快一倍,比选择排序略快。

  这里需要注意的是,如果要进行逆序排列,那么每次比较和移动都会进行,这时候并不会比冒泡排序快。

4:总结:

上面讲的三种排序,冒泡、选择、插入用大 O 表示法都需要 O(N2) 时间级别。一般不会选择冒泡排序,虽然冒泡排序书写是最简单的,但是平均性能是没有选择排序和插入排序好的。

  选择排序把交换次数降低到最低,但是比较次数还是挺大的。当数据量小,并且交换数据相对于比较数据更加耗时的情况下,可以应用选择排序。

  在大多数情况下,假设数据量比较小或基本有序时,插入排序是三种算法中最好的选择。

  后面我们会讲解高级排序,大O表示法的时间级别将比O(N2)小。 


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