--- comments: true --- # 4.1. 数组 「数组 Array」是一种将 **相同类型元素** 存储在 **连续内存空间** 的数据结构,将元素在数组中的位置称为元素的「索引 Index」。 ![array_definition](array.assets/array_definition.png)

Fig. 数组定义与存储方式

!!! note 观察上图,我们发现 **数组首元素的索引为 $0$** 。你可能会想,这并不符合日常习惯,首个元素的索引为什么不是 $1$ 呢,这不是更加自然吗?我认同你的想法,但请先记住这个设定,后面讲内存地址计算时,我会尝试解答这个问题。 **数组有多种初始化写法**。根据实际需要,选代码最短的那一种就好。 === "Java" ```java title="array.java" /* 初始化数组 */ int[] arr = new int[5]; // { 0, 0, 0, 0, 0 } int[] nums = { 1, 3, 2, 5, 4 }; ``` === "C++" ```cpp title="array.cpp" /* 初始化数组 */ int* arr = new int[5]; int* nums = new int[5] { 1, 3, 2, 5, 4 }; ``` === "Python" ```python title="array.py" """ 初始化数组 """ arr = [0] * 5 # [ 0, 0, 0, 0, 0 ] nums = [1, 3, 2, 5, 4] ``` === "Go" ```go title="array.go" /* 初始化数组 */ var arr [5]int // 在 Go 中,指定长度时([5]int)为数组,不指定长度时([]int)为切片 // 由于 Go 的数组被设计为在编译期确定长度,因此只能使用常量来指定长度 // 为了方便实现扩容 extend() 方法,以下将切片(Slice)看作数组(Array) nums := []int{1, 3, 2, 5, 4} ``` === "JavaScript" ```javascript title="array.js" /* 初始化数组 */ var arr = new Array(5).fill(0); var nums = [1, 3, 2, 5, 4]; ``` === "TypeScript" ```typescript title="array.ts" /* 初始化数组 */ let arr: number[] = new Array(5).fill(0); let nums: number[] = [1, 3, 2, 5, 4]; ``` === "C" ```c title="array.c" ``` === "C#" ```csharp title="array.cs" /* 初始化数组 */ int[] arr = new int[5]; // { 0, 0, 0, 0, 0 } int[] nums = { 1, 3, 2, 5, 4 }; ``` === "Swift" ```swift title="array.swift" /* 初始化数组 */ let arr = Array(repeating: 0, count: 5) // [0, 0, 0, 0, 0] let nums = [1, 3, 2, 5, 4] ``` === "Zig" ```zig title="array.zig" // 初始化数组 var arr = [_]i32{0} ** 5; // { 0, 0, 0, 0, 0 } var nums = [_]i32{ 1, 3, 2, 5, 4 }; ``` ## 4.1.1. 数组优点 **在数组中访问元素非常高效**。这是因为在数组中,计算元素的内存地址非常容易。给定数组首个元素的地址、和一个元素的索引,利用以下公式可以直接计算得到该元素的内存地址,从而直接访问此元素。 ![array_memory_location_calculation](array.assets/array_memory_location_calculation.png)

Fig. 数组元素的内存地址计算

```java title="" // 元素内存地址 = 数组内存地址 + 元素长度 * 元素索引 elementAddr = firtstElementAddr + elementLength * elementIndex ``` **为什么数组元素索引从 0 开始编号?** 根据地址计算公式,**索引本质上表示的是内存地址偏移量**,首个元素的地址偏移量是 $0$ ,那么索引是 $0$ 也就很自然了。 访问元素的高效性带来了许多便利。例如,我们可以在 $O(1)$ 时间内随机获取一个数组中的元素。 === "Java" ```java title="array.java" [class]{array}-[func]{randomAccess} ``` === "C++" ```cpp title="array.cpp" [class]{}-[func]{randomAccess} ``` === "Python" ```python title="array.py" [class]{}-[func]{random_access} ``` === "Go" ```go title="array.go" /* 随机返回一个数组元素 */ func randomAccess(nums []int) (randomNum int) { // 在区间 [0, nums.length) 中随机抽取一个数字 randomIndex := rand.Intn(len(nums)) // 获取并返回随机元素 randomNum = nums[randomIndex] return } ``` === "JavaScript" ```javascript title="array.js" [class]{}-[func]{randomAccess} ``` === "TypeScript" ```typescript title="array.ts" [class]{}-[func]{randomAccess} ``` === "C" ```c title="array.c" ``` === "C#" ```csharp title="array.cs" /* 随机返回一个数组元素 */ int RandomAccess(int[] nums) { Random random=new(); // 在区间 [0, nums.Length) 中随机抽取一个数字 int randomIndex = random.Next(nums.Length); // 获取并返回随机元素 int randomNum = nums[randomIndex]; return randomNum; } ``` === "Swift" ```swift title="array.swift" /* 随机返回一个数组元素 */ func randomAccess(nums: [Int]) -> Int { // 在区间 [0, nums.count) 中随机抽取一个数字 let randomIndex = nums.indices.randomElement()! // 获取并返回随机元素 let randomNum = nums[randomIndex] return randomNum } ``` === "Zig" ```zig title="array.zig" // 随机返回一个数组元素 pub fn randomAccess(nums: []i32) i32 { // 在区间 [0, nums.len) 中随机抽取一个整数 var randomIndex = std.crypto.random.intRangeLessThan(usize, 0, nums.len); // 获取并返回随机元素 var randomNum = nums[randomIndex]; return randomNum; } ``` ## 4.1.2. 数组缺点 **数组在初始化后长度不可变**。由于系统无法保证数组之后的内存空间是可用的,因此数组长度无法扩展。而若希望扩容数组,则需新建一个数组,然后把原数组元素依次拷贝到新数组,在数组很大的情况下,这是非常耗时的。 === "Java" ```java title="array.java" [class]{array}-[func]{extend} ``` === "C++" ```cpp title="array.cpp" [class]{}-[func]{extend} ``` === "Python" ```python title="array.py" [class]{}-[func]{extend} ``` === "Go" ```go title="array.go" /* 扩展数组长度 */ func extend(nums []int, enlarge int) []int { // 初始化一个扩展长度后的数组 res := make([]int, len(nums)+enlarge) // 将原数组中的所有元素复制到新数组 for i, num := range nums { res[i] = num } // 返回扩展后的新数组 return res } ``` === "JavaScript" ```javascript title="array.js" [class]{}-[func]{extend} ``` === "TypeScript" ```typescript title="array.ts" [class]{}-[func]{extend} ``` === "C" ```c title="array.c" ``` === "C#" ```csharp title="array.cs" /* 扩展数组长度 */ int[] Extend(int[] nums, int enlarge) { // 初始化一个扩展长度后的数组 int[] res = new int[nums.Length + enlarge]; // 将原数组中的所有元素复制到新数组 for (int i = 0; i < nums.Length; i++) { res[i] = nums[i]; } // 返回扩展后的新数组 return res; } ``` === "Swift" ```swift title="array.swift" /* 扩展数组长度 */ func extend(nums: [Int], enlarge: Int) -> [Int] { // 初始化一个扩展长度后的数组 var res = Array(repeating: 0, count: nums.count + enlarge) // 将原数组中的所有元素复制到新数组 for i in nums.indices { res[i] = nums[i] } // 返回扩展后的新数组 return res } ``` === "Zig" ```zig title="array.zig" // 扩展数组长度 pub fn extend(mem_allocator: std.mem.Allocator, nums: []i32, enlarge: usize) ![]i32 { // 初始化一个扩展长度后的数组 var res = try mem_allocator.alloc(i32, nums.len + enlarge); std.mem.set(i32, res, 0); // 将原数组中的所有元素复制到新数组 std.mem.copy(i32, res, nums); // 返回扩展后的新数组 return res; } ``` **数组中插入或删除元素效率低下**。假设我们想要在数组中间某位置插入一个元素,由于数组元素在内存中是“紧挨着的”,它们之间没有空间再放任何数据。因此,我们不得不将此索引之后的所有元素都向后移动一位,然后再把元素赋值给该索引。删除元素也是类似,需要把此索引之后的元素都向前移动一位。总体看有以下缺点: - **时间复杂度高**:数组的插入和删除的平均时间复杂度均为 $O(N)$ ,其中 $N$ 为数组长度。 - **丢失元素**:由于数组的长度不可变,因此在插入元素后,超出数组长度范围的元素会被丢失。 - **内存浪费**:我们一般会初始化一个比较长的数组,只用前面一部分,这样在插入数据时,丢失的末尾元素都是我们不关心的,但这样做同时也会造成内存空间的浪费。 ![array_insert_remove_element](array.assets/array_insert_remove_element.png)

Fig. 在数组中插入与删除元素

=== "Java" ```java title="array.java" [class]{array}-[func]{insert} [class]{array}-[func]{remove} ``` === "C++" ```cpp title="array.cpp" [class]{}-[func]{insert} [class]{}-[func]{remove} ``` === "Python" ```python title="array.py" [class]{}-[func]{insert} [class]{}-[func]{remove} ``` === "Go" ```go title="array.go" /* 在数组的索引 index 处插入元素 num */ func insert(nums []int, num int, index int) { // 把索引 index 以及之后的所有元素向后移动一位 for i := len(nums) - 1; i > index; i-- { nums[i] = nums[i-1] } // 将 num 赋给 index 处元素 nums[index] = num } /* 删除索引 index 处元素 */ func remove(nums []int, index int) { // 把索引 index 之后的所有元素向前移动一位 for i := index; i < len(nums)-1; i++ { nums[i] = nums[i+1] } } ``` === "JavaScript" ```javascript title="array.js" [class]{}-[func]{insert} [class]{}-[func]{remove} ``` === "TypeScript" ```typescript title="array.ts" [class]{}-[func]{insert} [class]{}-[func]{remove} ``` === "C" ```c title="array.c" ``` === "C#" ```csharp title="array.cs" /* 在数组的索引 index 处插入元素 num */ void Insert(int[] nums, int num, int index) { // 把索引 index 以及之后的所有元素向后移动一位 for (int i = nums.Length - 1; i > index; i--) { nums[i] = nums[i - 1]; } // 将 num 赋给 index 处元素 nums[index] = num; } /* 删除索引 index 处元素 */ void Remove(int[] nums, int index) { // 把索引 index 之后的所有元素向前移动一位 for (int i = index; i < nums.Length - 1; i++) { nums[i] = nums[i + 1]; } } ``` === "Swift" ```swift title="array.swift" /* 在数组的索引 index 处插入元素 num */ func insert(nums: inout [Int], num: Int, index: Int) { // 把索引 index 以及之后的所有元素向后移动一位 for i in sequence(first: nums.count - 1, next: { $0 > index + 1 ? $0 - 1 : nil }) { nums[i] = nums[i - 1] } // 将 num 赋给 index 处元素 nums[index] = num } /* 删除索引 index 处元素 */ func remove(nums: inout [Int], index: Int) { let count = nums.count // 把索引 index 之后的所有元素向前移动一位 for i in sequence(first: index, next: { $0 < count - 1 - 1 ? $0 + 1 : nil }) { nums[i] = nums[i + 1] } } ``` === "Zig" ```zig title="array.zig" // 在数组的索引 index 处插入元素 num pub fn insert(nums: []i32, num: i32, index: usize) void { // 把索引 index 以及之后的所有元素向后移动一位 var i = nums.len - 1; while (i > index) : (i -= 1) { nums[i] = nums[i - 1]; } // 将 num 赋给 index 处元素 nums[index] = num; } // 删除索引 index 处元素 pub fn remove(nums: []i32, index: usize) void { // 把索引 index 之后的所有元素向前移动一位 var i = index; while (i < nums.len - 1) : (i += 1) { nums[i] = nums[i + 1]; } } ``` ## 4.1.3. 数组常用操作 **数组遍历**。以下介绍两种常用的遍历方法。 === "Java" ```java title="array.java" [class]{array}-[func]{traverse} ``` === "C++" ```cpp title="array.cpp" [class]{}-[func]{traverse} ``` === "Python" ```python title="array.py" [class]{}-[func]{traverse} ``` === "Go" ```go title="array.go" /* 遍历数组 */ func traverse(nums []int) { count := 0 // 通过索引遍历数组 for i := 0; i < len(nums); i++ { count++ } // 直接遍历数组 for range nums { count++ } } ``` === "JavaScript" ```javascript title="array.js" [class]{}-[func]{traverse} ``` === "TypeScript" ```typescript title="array.ts" [class]{}-[func]{traverse} ``` === "C" ```c title="array.c" ``` === "C#" ```csharp title="array.cs" /* 遍历数组 */ void Traverse(int[] nums) { int count = 0; // 通过索引遍历数组 for (int i = 0; i < nums.Length; i++) { count++; } // 直接遍历数组 foreach (int num in nums) { count++; } } ``` === "Swift" ```swift title="array.swift" /* 遍历数组 */ func traverse(nums: [Int]) { var count = 0 // 通过索引遍历数组 for _ in nums.indices { count += 1 } // 直接遍历数组 for _ in nums { count += 1 } } ``` === "Zig" ```zig title="array.zig" // 遍历数组 pub fn traverse(nums: []i32) void { var count: i32 = 0; // 通过索引遍历数组 var i: i32 = 0; while (i < nums.len) : (i += 1) { count += 1; } count = 0; // 直接遍历数组 for (nums) |_| { count += 1; } } ``` **数组查找**。通过遍历数组,查找数组内的指定元素,并输出对应索引。 === "Java" ```java title="array.java" [class]{array}-[func]{find} ``` === "C++" ```cpp title="array.cpp" [class]{}-[func]{find} ``` === "Python" ```python title="array.py" [class]{}-[func]{find} ``` === "Go" ```go title="array.go" /* 在数组中查找指定元素 */ func find(nums []int, target int) (index int) { index = -1 for i := 0; i < len(nums); i++ { if nums[i] == target { index = i break } } return } ``` === "JavaScript" ```javascript title="array.js" [class]{}-[func]{find} ``` === "TypeScript" ```typescript title="array.ts" [class]{}-[func]{find} ``` === "C" ```c title="array.c" ``` === "C#" ```csharp title="array.cs" /* 在数组中查找指定元素 */ int Find(int[] nums, int target) { for (int i = 0; i < nums.Length; i++) { if (nums[i] == target) return i; } return -1; } ``` === "Swift" ```swift title="array.swift" /* 在数组中查找指定元素 */ func find(nums: [Int], target: Int) -> Int { for i in nums.indices { if nums[i] == target { return i } } return -1 } ``` === "Zig" ```zig title="array.zig" // 在数组中查找指定元素 pub fn find(nums: []i32, target: i32) i32 { for (nums) |num, i| { if (num == target) return @intCast(i32, i); } return -1; } ``` ## 4.1.4. 数组典型应用 **随机访问**。如果我们想要随机抽取一些样本,那么可以用数组存储,并生成一个随机序列,根据索引实现样本的随机抽取。 **二分查找**。例如前文查字典的例子,我们可以将字典中的所有字按照拼音顺序存储在数组中,然后使用与日常查纸质字典相同的“翻开中间,排除一半”的方式,来实现一个查电子字典的算法。 **深度学习**。神经网络中大量使用了向量、矩阵、张量之间的线性代数运算,这些数据都是以数组的形式构建的。数组是神经网络编程中最常使用的数据结构。