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資料結構 - 陣列

2022-02-10 08:07:26 其他

簡介

陣列本質上是一種線性表資料結構,它用一組連續的記憶體空間,來存盤一組具有相同型別的資料,

線性表

陣列結構

如上圖所示,線性表就是資料排成一條線一樣的結構,因此每個線性表中的資料只有前后兩個方向,像陣列、鏈表、堆疊、佇列都是線性表結構,

與線性表對應的就是非線性表結構,非線性表中的資料會存在多個方向,資料之間不是簡單的前后關系,像樹、堆都是非線性表結構,

連續的記憶體空間

陣列存盤使用的記憶體空間是連續的,在陣列存盤的這一片空間只會存盤陣列元素,不會再拆分出來存盤其他的資料,

相同型別的資料

在陣列的原始定義中,陣列只能存盤相同型別的資料,這樣可以保證陣列中每個元素占用的記憶體空間都能保持一致,

正是陣列存在“連續的記憶體空間”和“相同型別的資料”這兩個限制,才讓它擁有了隨機存取這個高效的特性,但同時也使得陣列在插入、洗掉資料的時候會比較低效,

陣列的特性

就陣列增刪改查的操作而言,陣列擁有高效隨機存取的特性,也存在低效插入、洗掉的劣勢,

隨機存取

這里的“隨機存取”指的的是通過下標訪問陣列元素,然后對這個元素做存取操作,

計算機會給每個記憶體單元分配一個地址,然后通過地址來訪問記憶體中的資料,當計算機需要隨機訪問陣列中的資料時,它可以通過下面的尋址公式來計算出對應下標的記憶體地址:

address[i] = base_address + data_type_size * i

其中 base_address 表示陣列的起始地址,data_type_size 表示每個元素占用的空間大小,

可想而知,同時具有“連續的記憶體空間”和“相同型別的資料”兩個限制的陣列結構,通過下標查找陣列中的元素能達到 \(O(1)\) 的時間復雜度,

插入、洗掉

同隨機存盤的高效不同,對一個陣列做插入、洗掉操作是非常低效的,這里的低效體現在插入和洗掉元素之后,需要對陣列中的其他元素做搬移操作,以保證陣列元素的連續性,

在一個長度為 n 的陣列中,假如要在第 k 個位置插入一個元素,這不是修改元素的操作,不能直接替換掉第 k 個元素,而是需要依次將第 k 個及之后的元素都往后挪一位,然后才能在第 k 個位置上存入這個元素,

陣列洗掉元素時和插入元素類似,為了避免洗掉元素之后導致陣列中間出現空洞,需要將洗掉位置之后的元素往前挪一位,

通過計算得知,插入、洗掉的最好時間復雜度為 \(O(1)\)、最壞時間復雜度為 \(O(n)\),平均時間復雜度為 \(O(n)\)

使用上的問題

陣列越界

陣列可以通過尋址公式做到高效隨機訪問,但這并沒有限制使用超出陣列長度的下標訪問陣列,通常把訪問的陣列下標超出陣列長度的情況稱為陣列越界,

在 C 語言中,編譯器不會檢測出陣列越界的問題,如果出現陣列越界的情況而又沒處理的話,極可能出現如代碼進入死回圈等不可預知的情況,

int main(int argc, char* argv[]){
    int i = 0;
    int arr[3] = {0};
    for(; i<=3; i++){
        arr[i] = 0;
        printf("hello world\n");
    }
    return 0;
}

如上述代碼,在位元組對齊和分配記憶體的特性下,先后定義了 iarr 共占據了 8 個位元組,表現為 {arr[0], arr[1], arr[2], i} 的形式,當回圈到下標為 3 時,實際 arr[3] 指向的就是 i 所在地址,也就出現 arr[3] = i = 3,出現死回圈,

相比較下,使用 Java 會更加安全,Java 不會把檢查陣列越界的作業丟給程式員來做,其本身就會做越界檢查,如果出現錯誤則會拋出 java.lang.ArrayIndexOutOfBoundsException 例外,而不是出現死回圈,

容器和陣列的選擇

這里說的容器指的是封裝了陣列的操作方法、并且支持動態擴容的容器類,比如 Java 中的 ArrayList 類,

與原生陣列相比,ArrayList 擁有非常大的優勢,但并不是所有地方都必須使用 ArrayList 而不使用陣列,在某些地方使用陣列更方便、效率更高,以下情況可以選擇原生陣列:

  • 追求極致性能選擇原生陣列,Java 的 ArrayList 不支持存盤基本型別,而是存盤基本型別封裝后的物件,自動裝箱、拆箱會有一定的性能消耗
  • 操作簡單,僅使用原生功能選擇原生陣列,雖然 ArrayList 提供了非常多額外的功能,但也額外增加了風險,使用原生陣列更簡單便捷

為什么陣列從 0 開始編號

這個問題可以通過陣列的尋址公式來回答,

首先需要重新定義陣列下標:下標不是只陣列的第幾個元素,而是指陣列元素的偏移,

在使用時,使用 0 作為起始下標,陣列使用下述的運算式作為尋址公式:

address[i] = base_address + data_type_size * i

如果使用 1 作為起始下標,將不能直接使用上面的尋址公式,而是需要修改如下:

address[i] = base_address + data_type_size * (i - 1)

在對比前后兩個尋址公式之后,可以發現,使用 1 作為起始下標的尋址公式會比使用 0 作為起始下標的尋址公式多一個簡單的減法指令,

對于非常底層的程式來說,即使只是多出一個簡單的減法指令,也是一種性能的損耗,為了做到極致優化,選擇 0 作為起始下標會更好,

當然還有一個歷史原因,C 語言使用了 0 作為陣列的起始下標,后續 Java、JavaScript 都紛紛仿效,這也算是為了統一,降低程式員的學習成本,

轉載請註明出處,本文鏈接:https://www.uj5u.com/qita/423589.html

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