数组(array)是一种线性数据结构,其将相同类型元素存储在连续的内存空间中。我们将元素在数组中的位置称为该元素的索引(index)。下图展示了数组的主要术语和概念。
我们可以根据需求选用数组的两种初始化方式:无初始值、给定初始值。在未指定初始值的情况下,大多数编程语言会将数组元素初始化为 0 。
/* 初始化数组 */
// 存储在栈上
int arr[5];
int nums[5] = { 1, 3, 2, 5, 4 };
// 存储在堆上(需要手动释放空间)
int* arr1 = new int[5];
int* nums1 = new int[5] { 1, 3, 2, 5, 4 };
数组元素被存储在连续的内存空间中,这意味着计算数组元素的内存地址非常容易。给定数组内存地址(即首元素内存地址)和某个元素的索引,我们可以使用下图所示的公式计算得到该元素的内存地址,从而直接访问此元素。
观察上图,我们发现数组首个元素的索引为 0 ,这似乎有些反直觉,因为从 1 开始计数会更自然。但从地址计算公式的角度看,索引的含义本质上是内存地址的偏移量。首个元素的地址偏移量是 0 ,因此它的索引为 0 也是合理的。
在数组中访问元素是非常高效的,我们可以在 O(1) 时间内随机访问数组中的任意一个元素。
/* 随机访问元素 */
int randomAccess(int *nums, int size) {
// 在区间 [0, size) 中随机抽取一个数字
int randomIndex = rand() % size;
// 获取并返回随机元素
int randomNum = nums[randomIndex];
return randomNum;
}
数组元素在内存中是“紧挨着的”,它们之间没有空间再存放任何数据。如下图示,如果想要在数组中间插入一个元素,则需要将该元素之后的所有元素都向后移动一位,之后再把元素赋值给该索引。
值得注意的是,由于数组的长度是固定的,因此插入一个元素必定会导致数组尾部元素的“丢失”。我们将这个问题的解决方案留在列表章节中讨论。
/* 在数组的索引 index 处插入元素 num */
void insert(int *nums, int size, 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 = size - 1; i > index; i--) {
nums[i] = nums[i - 1];
}
// 将 num 赋给 index 处元素
nums[index] = num;
}
同理,如下图所示,若想要删除索引i处的元素,则需要把索引i之后的元素都向前移动一位。
请注意,删除元素完成后,原先末尾的元素变得“无意义”了,所以我们无须特意去修改它。
/* 删除索引 index 处元素 */
void remove(int *nums, int size, int index) {
// 把索引 index 之后的所有元素向前移动一位
for (int i = index; i < size - 1; i++) {
nums[i] = nums[i + 1];
}
}
总的来看,数组的插入与删除操作有以下缺点。
在大多数编程语言中,我们既可以通过索引遍历数组,也可以直接遍历获取数组中的每个元素。
/* 遍历数组 */
void traverse(int *nums, int size) {
int count = 0;
// 通过索引遍历数组
for (int i = 0; i < size; i++) {
count += nums[i];
}
}
在数组中查找指定元素需要遍历数组,每轮判断元素值是否匹配,若匹配则输出对应索引。
因为数组是线性数据结构,所以上述查找操作被称为“线性查找”。
/* 在数组中查找指定元素 */
int find(int *nums, int size, int target) {
for (int i = 0; i < size; i++) {
if (nums[i] == target)
return i;
}
return -1;
}
在复杂的系统环境中,程序难以保证数组之后的内存空间是可用的,从而无法安全地扩展数组容量。因此在大多数编程语言中,数组的长度是不可变的。
如果我们希望扩容数组,则需重新建立一个更大的数组,然后把原数组元素依次拷贝到新数组。这是一个O(n) 的操作,在数组很大的情况下是非常耗时的。
/* 扩展数组长度 */
int *extend(int *nums, int size, int enlarge) {
// 初始化一个扩展长度后的数组
int *res = new int[size + enlarge];
// 将原数组中的所有元素复制到新数组
for (int i = 0; i < size; i++) {
res[i] = nums[i];
}
// 释放内存
delete[] nums;
// 返回扩展后的新数组
return res;
}
数组存储在连续的内存空间内,且元素类型相同。这种做法包含丰富的先验信息,系统可以利用这些信息来优化数据结构的操作效率。
连续空间存储是一把双刃剑,其存在以下缺点。
数组是一种基础且常见的数据结构,既频繁应用在各类算法之中,也可用于实现各种复杂数据结构。