算法基础之数组的增删改查和双指针思想的妙用

Posted 2022-01-15 双子孤狼

算法基础之数组的增删改查和双指针思想的妙用

• 前言
• 什么是数组
• • 数组的初始化
  • 单调数组
  • 区分 length 和 size
• 数组的增删改查
• • 访问数组元素
  • 删除数组元素
  • 插入数组元素
  • 修改数组元素
• 双指针思想
• 总结

前言

数组是一种非常基础的数据结构，很多人都会觉得数组非常简单，在我们使用的编程语言当中几乎都有数组这种数据结构，我们平常使用的也非常广泛。虽然如此，但是我们真的完全了解数组吗？比如数组为什么可以支持随机访问，数组具体有哪些特性，我们如何高效的实现在数组中插入或者删除一个元素，这些问题大家是否都能不假思索的回答呢？

什么是数组

数组是指的是用一组连续的内存空间，来存储一组具有相同类型的数据的线性表数据结构。

这个定义里面有数组的两个非常重要的特性：

• 连续的内存空间和相同的数据类型

连续的内存空间就是说数组中所有的元素都必须连续排列在一起，中间不允许有空位置。正是数组的这个特性决定了数组支持随机访问，因为我们可以通过数组占用内存的起始内存地址，再根据每个元素占用空间就可以计算出任意位置元素的内存地址，进而直接访问它。然而数组的这个特性也带来了不利的一面，那就是删除一个元素时，为了确保数组空间的连续性，这个元素之后的所有元素都必须往前移，这也就导致了删除元素的最坏时间复杂度为 O(n)。插入元素也是同理，所以数组具有高效的访问操作的同时却具有低效的插入和删除操作。

数据连续的内存空间也决定了数组无法直接进行扩容，当我们需要对数组进行扩容时，必须重新再申请一块连续的内存空间，然后将旧数组的所有元素赋值到新数组当中，可以想象，这种方式肯定是消耗性能的。

Java 中的 ArrayList 集合类，底层就是使用数组实现的，虽然我们不需要手动进行扩容，但是一旦超过了定义的存储范围，触发扩容操作时，ArrayList 底层就是通过 Arrays.copyOf 的方式进行的扩容：

而Arrays.copyOf 方法就会申请一个新数组来存储旧数组的元素。正是因为数组的这种扩容方式会带来性能上的消耗，所以当我们使用 ArrayList 时，如果可以预判长度，最好指定一个长度（HashMap 也是同理），这样可以避免后期触发扩容。

• 线性表结构

线性表结构的意思就是数据和线一样排列成一排，也就是说只有一条线可以往后（往前）走，没有其他分叉路，其他的比如链表，栈，队列等都属于线性结构，而二叉树，图，堆等数据结构就属于非线性表结构。

数组的初始化

几乎所有的语言中都提供了数组的数据类型，在这里以 Java 语言为例。

在 Java 中可以通过以下方式定义一个数组：

方式一（[] 放前放后都可以）：直接定义长度，然后赋值时如果值都是有规律的话可以通过循环赋值。

int arr[] = new int[5];
int[] arr1 = new int[5];

方式二：直接定义数组元素。

int[] arr3 = new int[]1,2,3;

方式三：直接定义数组元素，在算法中一般都是这种写法，这种方式也可以看做是方式二的简写形式。

 int[] arr4 = 1,2,3,4;

单调数组

单调数组指的就是一个数组是有序的，也就是说数组中的元素要么是递增的，要么就是递减的。

• 单调递增数组：对于所有 i <= j，有 A[i] <= A[j]。

• 单调递减数组：对于所有 i <= j，有 A[i] >= A[j]。

在算法当中，如果给的数组是一个单调数组，那么我们首先应该想到的是二分查找法，关于二分查找在算法系列的后续文章会专门讲解，本文不会展开。

区分 length 和 size

在数组当中，我们需要注意区分数组的长度（length）和数组的有效位数（size）。

比如下面这个数组：

int[] arr = new int[5];
arr[0] = 1;

在这个数组当中，我们定义了数组的长度是 5，但是里面只有一个元素，这时候我们就需要再定义一个 size，用来标记当前数组有效位数。

我们看下面两行代码：

public static void main(String[] args) 
    List list = new ArrayList<>(16);
    list.add(1);
    System.out.println(list.size());//输出 1

我们都知道，ArrayList 的底层是数组，当我们初始化一个 ArrayList 的时候，底层会创建一个 16 位长度的数组。

但是我们这里只添加了一个元素，所以 size 就是 1，ArrayList 中维护了一个 size 属性来记录数组中的有效元素，当我们每次添加元素的时候，size 才会增加。

所以本文后面的例子中也一样，我们需要时刻记得维护 size，否则就会输出无效数据位或者有效数据无法被输出。

数组的增删改查

数组本身并不难，但是很多高级算法都会依托数组，所以数组是基础的基础，对于数组的增删改查操作我们需要非常熟练，在操作数组时，我们尤其要注意的就是数组越界的问题，在 Java 这种本身就提供了安全机制的情况下，越界会直接抛出异常，但是对于 C 语言这种，数组越界就会访问到其他内存地址，造成一些未知的错误产生。

访问数组元素

在数组中，如果给定一个下标，我们可以直接通过下标访问元素，如果给定的是一个元素的值，那么我们就需要找到下标，而寻找指定元素的下标我们就可以通过遍历的方式查找（当然如果是单调数组我们可以通过二分查找法来提高效率）。

如下就是一个根据给定元素的值来查找元素下标的示例：

/**
  * 寻找指定元素在数组中的下标
  * @param arr - 指定数组
  * @param element 要查找的元素
  * @return
*/
public static int findIndexByElement(int[] arr, int size, int element) 
    for (int i=0;i<size;i++)
        if (arr[i] == element)
            return i;
        
    
    return -1;

删除数组元素

在数组中删除一个元素时，为了保证数组内存的连续性，后面的所有元素都必须往前移动。当我们删除的元素正好是数组尾部，那么时间复杂度就是 O(1)，如果删除的元素位于头部，那么时间复杂度就是 O(n)。

下面就是一个删除数组中元素的例子：

/**
   * 移除数组中指定下标的元素。将 index 之后的元素往前移动一位，同时更新size即可
   * @param arr - 指定数组
   * @param size - 当前数组元素数量
   * @param index 删除位置
   * @return
*/
public static void removeByIndex(int[] arr, int size, int index) 
    if (null == arr || arr.length == 0)//数组是否为空
        return;
    
    if (index < 0 || index > size -1)//判断是否越界
        return;
    
    for (int i = index;i < size;i++)//从 index 开始，所有的元素都往前移动一位
        arr[i-1] = arr[i];
    
    size--;//注意要维护 size

这道题目本身很简单，但是这个示例当中也有两个关键点：

• 数组的边界控制
• size 的维护

上面示例中元素是直接给出了下标，如果给的是元素的值呢？那么这时候我们就需要先找到当前元素在数组中的下标，然后再根据下标进行删除。

插入数组元素

假如给定的数组中还有空位，那么要在数组中新增一个元素很简单，直接放到 arr[size] 的位置就行，比如下面的例子，因为数组只是初始化了一个空间，没有任何元素，所以添加的时候只需要使用简单的 arr[index] 进行赋值就可以：

public static void main(String[] args) 
    int[] arr = new int[5];
    arr[0] = 1;

现在假如给定的是一个单调递增数组，我们要往里面插入一个元素，这时候就没那么简单了，因为我们需要保证数组的顺序，所以不能直接插入到最后，必须得先确定插入的位置，这时候我们有两种办法：

• 方法一：根据元素找到需要插入的位置，然后执行插入操作，插入的同时，其他元素都往后移动。
• 方法二：直接从后往前开始比较，如果比较的结果比插入元素大，那么往后移动一位，直到找到自己的插入位置。

下面的示例就是利用方法二，从后往前开始遍历查找并插入元素：

/**
     * 将给定的元素插⼊到单调递增数组中
     * @param arr - 指定数组
     * @param size - 数组已经存储的元素数量
     * @param element - 待插入的元素
     * @return
*/
public static void addByElementSequence2(int[] arr, int size, int element) 
    if (null == arr || arr.length == 0)//数组是否为空
        return;
    
    if (size >= arr.length) //确认数组至少有一个空位
        return;
    
    boolean succ = false;
    for (int i= size -1;i>=0;i--)
        if (arr[i] > element)//如果当前元素大于插入元素，那么将元素后移
            arr[i+1] = arr[i];//这里不会越界是因为方法中的第二个判断确保了数组至少有一个空位
        else//如果当前元素小于等于插入元素，那么可以插入
            arr[i+1] = element;//i 后面一个位置已经空出来了
            succ = true;
            break;
        
    
    if (!succ)//如果上面没有插入成功，那就说明当前插入的元素最小，直接插入头部即可
        arr[0] = element;
    

所以其实可以看到，插入一个元素的最坏时间复杂度也是 O(n)，那么有没有办法使得插入元素的时间复杂度达到 O(1) 呢？

在特定场景下往数组中插入一个元素时间复杂度是可以达到 O(1) 的。

比如我们的数组是无序的，插入一个元素也不在乎顺序，也没有指定插入元素的位置，那么这时候就可以选择直接插入尾部；如果插入元素时指定了一个插入位置，如果不关心顺序的话也可以采用一种巧妙的办法来实现：

 /**
     * 使用 O(1) 时间复杂度在给定数组的指定位置插入元素，可以忽略顺序
     * @param arr - 指定数组
     * @param size - 数组中有效元素
     * @param index - 指定插入下标
     * @param element - 指定插入元素
*/
public static void addByElement(int[] arr, int size, int index,int element) 
    if (null == arr || arr.length == 0)//数组是否为空
        return;
    
    if (size >= arr.length)//确认数组至少有一个空位
        return;
    
    arr[size] = arr[index];//将 index 和有效数组位数的最后一位交换
    arr[index] = element;

这里其实就是直接将需要插入元素的位置上的原有元素放到最后，然后再直接插入，避免了数组的移动，实现了 O(1) 时间复杂度的插入。

修改数组元素

修改元素如果不关心顺序那么直接覆盖即可，如果关心顺序，那么就需要结合上面的方法，先找到需要插入的位置，然后将原有数据删除，再插入新数据。

双指针思想

在数组相关的算法题中，双指针思想是最核心最重要的一个思想。我们知道，操作数组可能会带来大量数组元素的移动，避免元素的移动直接就可以提升一个算法的效率，而双指针的用法恰恰就可以减少数组元素的移动。

指针是什么？所谓的指针其实就是一个指向了具体内存地址的引用，或者说我们根据这个指针可以直接访问到内存地址。我们平常遍历数组的时候，会有一个下标，那么这个下标就可以算是一个指针，因为通过这个下标，我们可以直接访问素组元素。所以在数组中，所谓的双指针，其实就是指的两个下标。

下面我们就以 leetcode 上的第 26 题为例子来具体看看双指针的妙用。

题目的描述是这样的：给你一个有序数组 nums，请你原地删除重复出现的元素，使每个元素只出现一次 ，返回删除后数组的新长度。注意不要使用额外的数组空间，你必须在原地修改输入数组并在使用 O(1) 额外空间的条件下完成。

这道题最直接的第一反应应该有两个思路：

• 方法一：定义新数组来存储，空间复杂度为 O(n)

新建一个新数组，然后从头开始遍历 nums，因为数组是有序的，所以相同的元素一定是连续的，我们先把第一个元素放到新数组，然后开始遍历，发现 nums 中元素和新数组第一个元素相同就跳过，发现不同就存入新数组，然后再继续遍历 nums 并和新数组的第二个元素比较，依次类推。

• 方法二：双重循环遍历法

双重循环遍历数组，发现相同的数据则删除，删除的同时把后面的元素都往前移动。

这两种写法在这里就不写示例，实现起来相对比较简单，正常都能想到。但是方法一空间复杂度不符合题目要求，方法二虽然实现了，但是会带来大量的数组移动，而且还比较容易出错。

这道题如果利用双指针来实现，就会非常简洁，高效。

这道题我们可以定义两个指针： ⼀个指向有效数组的最后⼀个位置（validIndex），⼀个指针负责数组遍历（index），当两个指针指向的值不⼀样时，将 validIndex 向后移动，并将 index 对应的值赋给 validIndex，如此当 index 遍历完数组之后，validIndex 就是有效数组的最后一个下标。

下面我们通过一个具体的例子来分析一下双指针的执行过程。

假设我们有一个数组 int[] arr = 1,1,2,3，这时候我们定义两个指针 validIndex 和 index，初始都指向元素 1，也就是下标 0：

这时候开始遍历，两个值比较，发现相等，validIndex 不移动，index 往后移动到第二个元素 1 所在的位置：

这时候继续比较，发现还是相等，validIndex 继续保持原来位置不动，index 则继续往后移动到 2 的位置：

这时候比较，发现 1 和 2 已经不相等了，这时候需要把 validIndex 往后移动到第二个位置，同时把第三个位置的元素 2 赋值给新 validIndex，并且 index 自己也继续往后移动到 3 的位置。

继续比较，发现 2 和 3 也不想等，继续把 validIndex 往后移动，同时把 3 赋值给新 validIndex，此时因为 index 已经到达数组末尾，循环结束。

这时候得到的 validIndex 就是不重复数组元素的下标，用这种方式避免了数组的大量移动，仅仅通过覆盖的方式就达到了目的，下面就是双指针的代码实现（示例中代码 validLength 初始为 1，所以比较的需要时候是 arr[validLength - 1]）需要减 1，而赋值的时候是 arr[validLength++]，不需要加 1：

/**
   * 删除数组中的重复元素
   * @param arr - 数组
   * @return 返回剩余数组新长度
*/
public static int removeRepeatElement(int[] arr) 
    if (null == arr || arr.length == 0)
        return -1;
    

    int validLength = 1;//有效长度
    for (int i=0;i<arr.length;i++)
        if (arr[i] != arr[validLength - 1])
            arr[validLength++] = arr[i];
        
    
    return validLength;

总结

本文主要讲述了数据结构中最基础的一种数据结构数组的特性，并且分析了数组的特性决定了数组的访问是高效的，但是插入和删除是低效的原因。数组本身比较简单，但是数组又是许多高级算法的载体，所以我们如果想要学习高级算法，那么数组的增删改查是必须要掌握的，同时最后我们通过一个例子介绍了双指针思想的利用，在数组中的相关操作中，利用双指针可以巧妙的避免操作数组时带来的大量元素移动。