数据结构与算法之美

05 | 数组:为什么很多编程语言中数组都从0开始编号?

如何实现随机访问?

数组(Array):一种线性表数据结构。它用一组连续的内存空间,来存储一组具有相同类型的数据。

第一是线性表(Linear List)。顾名思义,线性表就是数据排成像一条线一样的结构。每个线性表上的数据最多只有前和后两个方向。其实除了数组,链表、队列、栈等也是线性表结构。

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而与它相对立的概念是非线性表,比如二叉树、堆、图等。之所以叫非线性,是因为,在非线性表中,数据之间并不是简单的前后关系。

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第二个是连续的内存空间和相同类型的数据。正是因为这两个限制,它才有了一个堪称“杀手锏”的特性:“随机访问”。

计算机会给每个内存单元分配一个地址,计算机通过地址来访问内存中的数据。

数组支持随机访问,根据下标随机访问的时间复杂度为 O(1)。

寻址公式,计算出该元素存储的内存地址:a[i]_address = base_address + i * data_type_size (其中 data_type_size 表示数组中每个元素的大小。)

低效的“插入”和“删除”

插入操作

删除操作

为了避免 d,e,f,g,h 这几个数据会被搬移三次,我们可以先记录下已经删除的数据。每次的删除操作并不是真正地搬移数据,只是记录数据已经被删除。当数组没有更多空间存储数据时,我们再触发执行一次真正的删除操作,这样就大大减少了删除操作导致的数据搬移。

很多时候我们并不是要去死记硬背某个数据结构或者算法,而是要学习它背后的思想和处理技巧,这些东西才是最有价值的。

警惕数组的访问越界问题

访问数组的本质就是访问一段连续内存,只要数组通过偏移计算得到的内存地址是可用的,那么程序就可能不会报任何错误。

容器能否完全替代数组?

数组本身在定义的时候需要预先指定大小,因为需要分配连续的内存空间。如果我们申请了大小为 10 的数组,当第 11 个数据需要存储到数组中时,我们就需要重新分配一块更大的空间,将原来的数据复制过去,然后再将新的数据插入。

事先指定数据大小可以省掉很多次内存申请和数据搬移操作。

为什么大多数编程语言中,数组要从 0 开始编号,而不是从 1 开始呢?

从数组存储的内存模型上来看,“下标”最确切的定义应该是“偏移(offset)”。

前面也讲到,如果用 a 来表示数组的首地址,a[0]就是偏移为 0 的位置,也就是首地址,a[k]就表示偏移 k 个 type_size 的位置,所以计算 a[k]的内存地址只需要用这个公式:a[k]_address = base_address + k * type_size;

如果数组从 1 开始计数,那我们计算数组元素 a[k]的内存地址就会变为:a[k]_address = base_address + (k-1)*type_size;

从 1 开始编号,每次随机访问数组元素都多了一次减法运算,对于 CPU 来说,就是多了一次减法指令。

数组作为非常基础的数据结构,通过下标随机访问数组元素又是其非常基础的编程操作,效率的优化就要尽可能做到极致。所以为了减少一次减法操作,数组选择了从 0 开始编号,而不是从 1 开始。(主要原始历史原因,C语言从0开始,其他语言开始模仿。)

数组用一块连续的内存空间,来存储相同类型的一组数据,最大的特点就是支持随机访问,但插入、删除操作也因此变得比较低效,平均情况时间复杂度为 O(n)。在平时的业务开发中,我们可以直接使用编程语言提供的容器类,但是,如果是特别底层的开发,直接使用数组可能会更合适。