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Python实现数组：数组类与常用操作说明

数据结构定义

一个完整的数据结构的定义应包含成员构造、增、删、改、查等基本操作，并提供返回大小及是否为空的功能。通过这样的设计，可以有效地管理和操作数组型数据集合。

难点分析

在实现一个基本的数组类时，主要难点在于细节处理，比如成员构造、数组动态调整、元素的增删查改以及异常处理等。

成员构造

类初始化时，需设置默认容量为100。通过这样的设定，可以方便地初始化数组实例。

def __init__(self, capacity=100):
    self._capacity = capacity
    self._size = 0
    self._data = [None] * self._capacity

数组增操作

支持元素插入，位置可通过索引指定。此外，还提供了添加元素到末尾或开头的功能。

def add(self, index, elem):
    if index < 0 or index > self._size:
        raise Exception("Index is Illegal!")
    if self._size == self._capacity:
        self._resize(self._capacity * 2)
    for i in range(self._size - 1, index - 1, -1):
        self._data[i + 1] = self._data[i]
    self._data[index] = elem
    self._size += 1
def addFirst(self, elem):
    self.add(0, elem)
def addLast(self, elem):
    self.add(self._size, elem)

数组删操作

支持按索引删除元素，并提供删除开头或末尾元素的特定方法。删除操作还需处理数组拼接问题，确保数组在删除后能正确调整至初始状态。

def remove(self, index):
    for i in range(index, self._size - 1):
        self._data[i] = self._data[i + 1]
    self._size -= 1
    self._data[self._size] = None
    if self._size and self._capacity // self._size == 4:
        self._resize(self._capacity // 2)
    return ret
def removeFirst(self):
    self.remove(0)
def removeLast(self):
    self.remove(self._size - 1)

数组改操作

允许指定索引位置修改元素值，直接赋值即可。

def set(self, index, elem):
    if index < 0 or index > self._size:
        raise Exception("Index is Illegal!")
    self._data[index] = elem

数组查操作

支持逐个元素查找，返回特定索引的元素值。用户还可以通过getFirst和getLast方法分别获取数组首尾元素。

def get(self, index):
    if index < 0 or index > self._size - 1:
        raise Exception("Index is Illegal!")
    return self._data[index]
def getFirst(self):
    return self._data[0]
def getLast(self):
    return self._data[self._size - 1]

数组查找操作

查找元素可通过线性搜索或高效算法实现。提供找一个元素的方法，以及找到所有元素索引的方法。

def find(self, elem):
    for i in range(self._size):
        if self._data[i] == elem:
            return i
    return -1
def findAll(self, elem):
    res = Array()
    for i in range(self._size):
        if self._data[i] == elem:
            res.addLast(i)
    return res

数组大小与容量操作

提供一个获取当前数组大小的方法，以及获取最大容量的方法。此外，还可以通过方法查询数组是否为空。

def get_size(self):
    return self._size
def get_capacity(self):
    return self._capacity
def is_empty(self):
    return self._size == 0

数组增大或缩小操作

提供动态调整数组大小的功能，当数组容量不足时自动扩展，或在元素稀疏时减少数组大小以优化空间使用。

def _resize(self, new_capacity):
    self._capacity = new_capacity
    newArray = Array(new_capacity)
    for i in range(self._size):
        newArray._data[i] = self._data[i]
    self._data = newArray._data

附加功能

此外，还提供了交换元素位置、打印数组信息等辅助功能。

def swap(self, index1, index2):
    if index1 < 0 or index2 < 0 or index1 >= self._size or index2 >= self._size:
        raise Exception("Index is illegal")
    self._data[index1], self._data[index2] = self._data[index2], self._data[index1]
def remove_max_element(self):
    max_index = self.get_max_index()
    self.remove(max_index)
def get_max_index(self):
    if self.is_empty():
        raise Exception("Error, Array is Empty!")
    max_index = 0
    for i in range(1, self.get_size()):
        if self._data[i] > self._data[max_index]:
            max_index = i
    return max_index
def remove_min_element(self):
    min_index = self.get_min_index()
    self.remove(min_index)
def get_min_index(self):
    if self.is_empty():
        raise Exception("Error, Array is Empty!")
    min_index = 0
    for i in range(1, self.get_size()):
        if self._data[i] < self._data[min_index]:
            min_index = i
    return min_index
def print_array_info(self):
    print(f"Current data: {self._data[:self._size]}")
    print(f"Size: {self.get_size()}")
    print(f"Capacity: {self.get_capacity()}")

测试示例

以下是一些具体的操作示例，供测试验证。

# 初始化并添加元素
array = Array()
array.addLast(1)
array.addLast(2)
array.addLast(3)
array.addLast(4)
array.addLast(5)
array.addFirst(6)
array.add(1, 100)  # 在索引1的位置添加100
print(array.get(1))  # 输出结果应为100
# 获取数组首位和末位元素
print(array.getFirst())  # 输出应为6
print(array.getLast())  # 输出应为5
# 修改数组中的元素
array.set(1, 1000)
print(array[1])  # 输出应为1000
# 检查元素是否存在
print(array.contains(1000))  # 输出应为True
# 查找元素位置
print(array.find(1000))  # 输出应为1
# 打印数组信息
print("Array contents: ", end=' ')
array.print_array_info()

总结

通过以上说明，可以清楚地掌握Python实现数组的基本实现方法和常用操作。以上实现涵盖了数组类的主要功能，通过合理设计使得数组能够高效地管理和操作数据集合。