--- comments: true --- # 4.1   陣列 陣列（array）是一種線性資料結構，其將相同型別的元素儲存在連續的記憶體空間中。我們將元素在陣列中的位置稱為該元素的索引（index）。圖 4-1 展示了陣列的主要概念和儲存方式。 ![陣列定義與儲存方式](array.assets/array_definition.png){ class="animation-figure" }

圖 4-1   陣列定義與儲存方式

## 4.1.1   陣列常用操作 ### 1.   初始化陣列 我們可以根據需求選用陣列的兩種初始化方式：無初始值、給定初始值。在未指定初始值的情況下，大多數程式語言會將陣列元素初始化為 $0$ ： === "Python" ```python title="array.py" # 初始化陣列 arr: list[int] = [0] * 5 # [ 0, 0, 0, 0, 0 ] nums: list[int] = [1, 3, 2, 5, 4] ``` === "C++" ```cpp title="array.cpp" /* 初始化陣列 */ // 儲存在堆疊上 int arr[5]; int nums[5] = { 1, 3, 2, 5, 4 }; // 儲存在堆積上（需要手動釋放空間） int* arr1 = new int[5]; int* nums1 = new int[5] { 1, 3, 2, 5, 4 }; ``` === "Java" ```java title="array.java" /* 初始化陣列 */ int[] arr = new int[5]; // { 0, 0, 0, 0, 0 } int[] nums = { 1, 3, 2, 5, 4 }; ``` === "C#" ```csharp title="array.cs" /* 初始化陣列 */ int[] arr = new int[5]; // [ 0, 0, 0, 0, 0 ] int[] nums = [1, 3, 2, 5, 4]; ``` === "Go" ```go title="array.go" /* 初始化陣列 */ var arr [5]int // 在 Go 中，指定長度時（[5]int）為陣列，不指定長度時（[]int）為切片 // 由於 Go 的陣列被設計為在編譯期確定長度，因此只能使用常數來指定長度 // 為了方便實現擴容 extend() 方法，以下將切片（Slice）看作陣列（Array） nums := []int{1, 3, 2, 5, 4} ``` === "Swift" ```swift title="array.swift" /* 初始化陣列 */ let arr = Array(repeating: 0, count: 5) // [0, 0, 0, 0, 0] let nums = [1, 3, 2, 5, 4] ``` === "JS" ```javascript title="array.js" /* 初始化陣列 */ var arr = new Array(5).fill(0); var nums = [1, 3, 2, 5, 4]; ``` === "TS" ```typescript title="array.ts" /* 初始化陣列 */ let arr: number[] = new Array(5).fill(0); let nums: number[] = [1, 3, 2, 5, 4]; ``` === "Dart" ```dart title="array.dart" /* 初始化陣列 */ List arr = List.filled(5, 0); // [0, 0, 0, 0, 0] List nums = [1, 3, 2, 5, 4]; ``` === "Rust" ```rust title="array.rs" /* 初始化陣列 */ let arr: Vec = vec![0; 5]; // [0, 0, 0, 0, 0] let nums: Vec = vec![1, 3, 2, 5, 4]; ``` === "C" ```c title="array.c" /* 初始化陣列 */ int arr[5] = { 0 }; // { 0, 0, 0, 0, 0 } int nums[5] = { 1, 3, 2, 5, 4 }; ``` === "Kotlin" ```kotlin title="array.kt" /* 初始化陣列 */ var arr = IntArray(5) // { 0, 0, 0, 0, 0 } var nums = intArrayOf(1, 3, 2, 5, 4) ``` === "Ruby" ```ruby title="array.rb" # 初始化陣列 arr = Array.new(5, 0) nums = [1, 3, 2, 5, 4] ``` === "Zig" ```zig title="array.zig" // 初始化陣列 var arr = [_]i32{0} ** 5; // { 0, 0, 0, 0, 0 } var nums = [_]i32{ 1, 3, 2, 5, 4 }; ``` ??? pythontutor "視覺化執行"
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### 2.   訪問元素 陣列元素被儲存在連續的記憶體空間中，這意味著計算陣列元素的記憶體位址非常容易。給定陣列記憶體位址（首元素記憶體位址）和某個元素的索引，我們可以使用圖 4-2 所示的公式計算得到該元素的記憶體位址，從而直接訪問該元素。 ![陣列元素的記憶體位址計算](array.assets/array_memory_location_calculation.png){ class="animation-figure" }

圖 4-2   陣列元素的記憶體位址計算

觀察圖 4-2 ，我們發現陣列首個元素的索引為 $0$ ，這似乎有些反直覺，因為從 $1$ 開始計數會更自然。但從位址計算公式的角度看，**索引本質上是記憶體位址的偏移量**。首個元素的位址偏移量是 $0$ ，因此它的索引為 $0$ 是合理的。 在陣列中訪問元素非常高效，我們可以在 $O(1)$ 時間內隨機訪問陣列中的任意一個元素。 === "Python" ```python title="array.py" def random_access(nums: list[int]) -> int: """隨機訪問元素""" # 在區間 [0, len(nums)-1] 中隨機抽取一個數字 random_index = random.randint(0, len(nums) - 1) # 獲取並返回隨機元素 random_num = nums[random_index] return random_num ``` === "C++" ```cpp title="array.cpp" /* 隨機訪問元素 */ int randomAccess(int *nums, int size) { // 在區間 [0, size) 中隨機抽取一個數字 int randomIndex = rand() % size; // 獲取並返回隨機元素 int randomNum = nums[randomIndex]; return randomNum; } ``` === "Java" ```java title="array.java" /* 隨機訪問元素 */ int randomAccess(int[] nums) { // 在區間 [0, nums.length) 中隨機抽取一個數字 int randomIndex = ThreadLocalRandom.current().nextInt(0, nums.length); // 獲取並返回隨機元素 int randomNum = nums[randomIndex]; return randomNum; } ``` === "C#" ```csharp title="array.cs" /* 隨機訪問元素 */ int RandomAccess(int[] nums) { Random random = new(); // 在區間 [0, nums.Length) 中隨機抽取一個數字 int randomIndex = random.Next(nums.Length); // 獲取並返回隨機元素 int randomNum = nums[randomIndex]; return randomNum; } ``` === "Go" ```go title="array.go" /* 隨機訪問元素 */ func randomAccess(nums []int) (randomNum int) { // 在區間 [0, nums.length) 中隨機抽取一個數字 randomIndex := rand.Intn(len(nums)) // 獲取並返回隨機元素 randomNum = nums[randomIndex] return } ``` === "Swift" ```swift title="array.swift" /* 隨機訪問元素 */ func randomAccess(nums: [Int]) -> Int { // 在區間 [0, nums.count) 中隨機抽取一個數字 let randomIndex = nums.indices.randomElement()! // 獲取並返回隨機元素 let randomNum = nums[randomIndex] return randomNum } ``` === "JS" ```javascript title="array.js" /* 隨機訪問元素 */ function randomAccess(nums) { // 在區間 [0, nums.length) 中隨機抽取一個數字 const random_index = Math.floor(Math.random() * nums.length); // 獲取並返回隨機元素 const random_num = nums[random_index]; return random_num; } ``` === "TS" ```typescript title="array.ts" /* 隨機訪問元素 */ function randomAccess(nums: number[]): number { // 在區間 [0, nums.length) 中隨機抽取一個數字 const random_index = Math.floor(Math.random() * nums.length); // 獲取並返回隨機元素 const random_num = nums[random_index]; return random_num; } ``` === "Dart" ```dart title="array.dart" /* 隨機訪問元素 */ int randomAccess(List nums) { // 在區間 [0, nums.length) 中隨機抽取一個數字 int randomIndex = Random().nextInt(nums.length); // 獲取並返回隨機元素 int randomNum = nums[randomIndex]; return randomNum; } ``` === "Rust" ```rust title="array.rs" /* 隨機訪問元素 */ fn random_access(nums: &[i32]) -> i32 { // 在區間 [0, nums.len()) 中隨機抽取一個數字 let random_index = rand::thread_rng().gen_range(0..nums.len()); // 獲取並返回隨機元素 let random_num = nums[random_index]; random_num } ``` === "C" ```c title="array.c" /* 隨機訪問元素 */ int randomAccess(int *nums, int size) { // 在區間 [0, size) 中隨機抽取一個數字 int randomIndex = rand() % size; // 獲取並返回隨機元素 int randomNum = nums[randomIndex]; return randomNum; } ``` === "Kotlin" ```kotlin title="array.kt" /* 隨機訪問元素 */ fun randomAccess(nums: IntArray): Int { // 在區間 [0, nums.size) 中隨機抽取一個數字 val randomIndex = ThreadLocalRandom.current().nextInt(0, nums.size) // 獲取並返回隨機元素 val randomNum = nums[randomIndex] return randomNum } ``` === "Ruby" ```ruby title="array.rb" ### 隨機訪問元素 ### def random_access(nums) # 在區間 [0, nums.length) 中隨機抽取一個數字 random_index = Random.rand(0...nums.length) # 獲取並返回隨機元素 nums[random_index] end ``` === "Zig" ```zig title="array.zig" // 隨機訪問元素 fn randomAccess(nums: []i32) i32 { // 在區間 [0, nums.len) 中隨機抽取一個整數 var randomIndex = std.crypto.random.intRangeLessThan(usize, 0, nums.len); // 獲取並返回隨機元素 var randomNum = nums[randomIndex]; return randomNum; } ``` ??? pythontutor "視覺化執行"
### 3.   插入元素 陣列元素在記憶體中是“緊挨著的”，它們之間沒有空間再存放任何資料。如圖 4-3 所示，如果想在陣列中間插入一個元素，則需要將該元素之後的所有元素都向後移動一位，之後再把元素賦值給該索引。 ![陣列插入元素示例](array.assets/array_insert_element.png){ class="animation-figure" }

圖 4-3   陣列插入元素示例

值得注意的是，由於陣列的長度是固定的，因此插入一個元素必定會導致陣列尾部元素“丟失”。我們將這個問題的解決方案留在“串列”章節中討論。 === "Python" ```python title="array.py" def insert(nums: list[int], num: int, index: int): """在陣列的索引 index 處插入元素 num""" # 把索引 index 以及之後的所有元素向後移動一位 for i in range(len(nums) - 1, index, -1): nums[i] = nums[i - 1] # 將 num 賦給 index 處的元素 nums[index] = num ``` === "C++" ```cpp title="array.cpp" /* 在陣列的索引 index 處插入元素 num */ void insert(int *nums, int size, int num, int index) { // 把索引 index 以及之後的所有元素向後移動一位 for (int i = size - 1; i > index; i--) { nums[i] = nums[i - 1]; } // 將 num 賦給 index 處的元素 nums[index] = num; } ``` === "Java" ```java title="array.java" /* 在陣列的索引 index 處插入元素 num */ void insert(int[] nums, int num, int index) { // 把索引 index 以及之後的所有元素向後移動一位 for (int i = nums.length - 1; i > index; i--) { nums[i] = nums[i - 1]; } // 將 num 賦給 index 處的元素 nums[index] = num; } ``` === "C#" ```csharp title="array.cs" /* 在陣列的索引 index 處插入元素 num */ void Insert(int[] nums, int num, int index) { // 把索引 index 以及之後的所有元素向後移動一位 for (int i = nums.Length - 1; i > index; i--) { nums[i] = nums[i - 1]; } // 將 num 賦給 index 處的元素 nums[index] = num; } ``` === "Go" ```go title="array.go" /* 在陣列的索引 index 處插入元素 num */ func insert(nums []int, num int, index int) { // 把索引 index 以及之後的所有元素向後移動一位 for i := len(nums) - 1; i > index; i-- { nums[i] = nums[i-1] } // 將 num 賦給 index 處的元素 nums[index] = num } ``` === "Swift" ```swift title="array.swift" /* 在陣列的索引 index 處插入元素 num */ func insert(nums: inout [Int], num: Int, index: Int) { // 把索引 index 以及之後的所有元素向後移動一位 for i in nums.indices.dropFirst(index).reversed() { nums[i] = nums[i - 1] } // 將 num 賦給 index 處的元素 nums[index] = num } ``` === "JS" ```javascript title="array.js" /* 在陣列的索引 index 處插入元素 num */ function insert(nums, num, index) { // 把索引 index 以及之後的所有元素向後移動一位 for (let i = nums.length - 1; i > index; i--) { nums[i] = nums[i - 1]; } // 將 num 賦給 index 處的元素 nums[index] = num; } ``` === "TS" ```typescript title="array.ts" /* 在陣列的索引 index 處插入元素 num */ function insert(nums: number[], num: number, index: number): void { // 把索引 index 以及之後的所有元素向後移動一位 for (let i = nums.length - 1; i > index; i--) { nums[i] = nums[i - 1]; } // 將 num 賦給 index 處的元素 nums[index] = num; } ``` === "Dart" ```dart title="array.dart" /* 在陣列的索引 index 處插入元素 _num */ void insert(List nums, int _num, int index) { // 把索引 index 以及之後的所有元素向後移動一位 for (var i = nums.length - 1; i > index; i--) { nums[i] = nums[i - 1]; } // 將 _num 賦給 index 處元素 nums[index] = _num; } ``` === "Rust" ```rust title="array.rs" /* 在陣列的索引 index 處插入元素 num */ fn insert(nums: &mut Vec, num: i32, index: usize) { // 把索引 index 以及之後的所有元素向後移動一位 for i in (index + 1..nums.len()).rev() { nums[i] = nums[i - 1]; } // 將 num 賦給 index 處的元素 nums[index] = num; } ``` === "C" ```c title="array.c" /* 在陣列的索引 index 處插入元素 num */ void insert(int *nums, int size, int num, int index) { // 把索引 index 以及之後的所有元素向後移動一位 for (int i = size - 1; i > index; i--) { nums[i] = nums[i - 1]; } // 將 num 賦給 index 處的元素 nums[index] = num; } ``` === "Kotlin" ```kotlin title="array.kt" /* 在陣列的索引 index 處插入元素 num */ fun insert(nums: IntArray, num: Int, index: Int) { // 把索引 index 以及之後的所有元素向後移動一位 for (i in nums.size - 1 downTo index + 1) { nums[i] = nums[i - 1] } // 將 num 賦給 index 處的元素 nums[index] = num } ``` === "Ruby" ```ruby title="array.rb" ### 在陣列的索引 index 處插入元素 num ### def insert(nums, num, index) # 把索引 index 以及之後的所有元素向後移動一位 for i in (nums.length - 1).downto(index + 1) nums[i] = nums[i - 1] end # 將 num 賦給 index 處的元素 nums[index] = num end ``` === "Zig" ```zig title="array.zig" // 在陣列的索引 index 處插入元素 num fn insert(nums: []i32, num: i32, index: usize) void { // 把索引 index 以及之後的所有元素向後移動一位 var i = nums.len - 1; while (i > index) : (i -= 1) { nums[i] = nums[i - 1]; } // 將 num 賦給 index 處的元素 nums[index] = num; } ``` ??? pythontutor "視覺化執行"
### 4.   刪除元素 同理，如圖 4-4 所示，若想刪除索引 $i$ 處的元素，則需要把索引 $i$ 之後的元素都向前移動一位。 ![陣列刪除元素示例](array.assets/array_remove_element.png){ class="animation-figure" }

圖 4-4   陣列刪除元素示例

請注意，刪除元素完成後，原先末尾的元素變得“無意義”了，所以我們無須特意去修改它。 === "Python" ```python title="array.py" def remove(nums: list[int], index: int): """刪除索引 index 處的元素""" # 把索引 index 之後的所有元素向前移動一位 for i in range(index, len(nums) - 1): nums[i] = nums[i + 1] ``` === "C++" ```cpp title="array.cpp" /* 刪除索引 index 處的元素 */ void remove(int *nums, int size, int index) { // 把索引 index 之後的所有元素向前移動一位 for (int i = index; i < size - 1; i++) { nums[i] = nums[i + 1]; } } ``` === "Java" ```java title="array.java" /* 刪除索引 index 處的元素 */ void remove(int[] nums, int index) { // 把索引 index 之後的所有元素向前移動一位 for (int i = index; i < nums.length - 1; i++) { nums[i] = nums[i + 1]; } } ``` === "C#" ```csharp title="array.cs" /* 刪除索引 index 處的元素 */ void Remove(int[] nums, int index) { // 把索引 index 之後的所有元素向前移動一位 for (int i = index; i < nums.Length - 1; i++) { nums[i] = nums[i + 1]; } } ``` === "Go" ```go title="array.go" /* 刪除索引 index 處的元素 */ func remove(nums []int, index int) { // 把索引 index 之後的所有元素向前移動一位 for i := index; i < len(nums)-1; i++ { nums[i] = nums[i+1] } } ``` === "Swift" ```swift title="array.swift" /* 刪除索引 index 處的元素 */ func remove(nums: inout [Int], index: Int) { // 把索引 index 之後的所有元素向前移動一位 for i in nums.indices.dropFirst(index).dropLast() { nums[i] = nums[i + 1] } } ``` === "JS" ```javascript title="array.js" /* 刪除索引 index 處的元素 */ function remove(nums, index) { // 把索引 index 之後的所有元素向前移動一位 for (let i = index; i < nums.length - 1; i++) { nums[i] = nums[i + 1]; } } ``` === "TS" ```typescript title="array.ts" /* 刪除索引 index 處的元素 */ function remove(nums: number[], index: number): void { // 把索引 index 之後的所有元素向前移動一位 for (let i = index; i < nums.length - 1; i++) { nums[i] = nums[i + 1]; } } ``` === "Dart" ```dart title="array.dart" /* 刪除索引 index 處的元素 */ void remove(List nums, int index) { // 把索引 index 之後的所有元素向前移動一位 for (var i = index; i < nums.length - 1; i++) { nums[i] = nums[i + 1]; } } ``` === "Rust" ```rust title="array.rs" /* 刪除索引 index 處的元素 */ fn remove(nums: &mut Vec, index: usize) { // 把索引 index 之後的所有元素向前移動一位 for i in index..nums.len() - 1 { nums[i] = nums[i + 1]; } } ``` === "C" ```c title="array.c" /* 刪除索引 index 處的元素 */ // 注意：stdio.h 佔用了 remove 關鍵詞 void removeItem(int *nums, int size, int index) { // 把索引 index 之後的所有元素向前移動一位 for (int i = index; i < size - 1; i++) { nums[i] = nums[i + 1]; } } ``` === "Kotlin" ```kotlin title="array.kt" /* 刪除索引 index 處的元素 */ fun remove(nums: IntArray, index: Int) { // 把索引 index 之後的所有元素向前移動一位 for (i in index.. 總的來看，陣列的插入與刪除操作有以下缺點。 - **時間複雜度高**：陣列的插入和刪除的平均時間複雜度均為 $O(n)$ ，其中 $n$ 為陣列長度。 - **丟失元素**：由於陣列的長度不可變，因此在插入元素後，超出陣列長度範圍的元素會丟失。 - **記憶體浪費**：我們可以初始化一個比較長的陣列，只用前面一部分，這樣在插入資料時，丟失的末尾元素都是“無意義”的，但這樣做會造成部分記憶體空間浪費。 ### 5.   走訪陣列 在大多數程式語言中，我們既可以透過索引走訪陣列，也可以直接走訪獲取陣列中的每個元素： === "Python" ```python title="array.py" def traverse(nums: list[int]): """走訪陣列""" count = 0 # 透過索引走訪陣列 for i in range(len(nums)): count += nums[i] # 直接走訪陣列元素 for num in nums: count += num # 同時走訪資料索引和元素 for i, num in enumerate(nums): count += nums[i] count += num ``` === "C++" ```cpp title="array.cpp" /* 走訪陣列 */ void traverse(int *nums, int size) { int count = 0; // 透過索引走訪陣列 for (int i = 0; i < size; i++) { count += nums[i]; } } ``` === "Java" ```java title="array.java" /* 走訪陣列 */ void traverse(int[] nums) { int count = 0; // 透過索引走訪陣列 for (int i = 0; i < nums.length; i++) { count += nums[i]; } // 直接走訪陣列元素 for (int num : nums) { count += num; } } ``` === "C#" ```csharp title="array.cs" /* 走訪陣列 */ void Traverse(int[] nums) { int count = 0; // 透過索引走訪陣列 for (int i = 0; i < nums.Length; i++) { count += nums[i]; } // 直接走訪陣列元素 foreach (int num in nums) { count += num; } } ``` === "Go" ```go title="array.go" /* 走訪陣列 */ func traverse(nums []int) { count := 0 // 透過索引走訪陣列 for i := 0; i < len(nums); i++ { count += nums[i] } count = 0 // 直接走訪陣列元素 for _, num := range nums { count += num } // 同時走訪資料索引和元素 for i, num := range nums { count += nums[i] count += num } } ``` === "Swift" ```swift title="array.swift" /* 走訪陣列 */ func traverse(nums: [Int]) { var count = 0 // 透過索引走訪陣列 for i in nums.indices { count += nums[i] } // 直接走訪陣列元素 for num in nums { count += num } // 同時走訪資料索引和元素 for (i, num) in nums.enumerated() { count += nums[i] count += num } } ``` === "JS" ```javascript title="array.js" /* 走訪陣列 */ function traverse(nums) { let count = 0; // 透過索引走訪陣列 for (let i = 0; i < nums.length; i++) { count += nums[i]; } // 直接走訪陣列元素 for (const num of nums) { count += num; } } ``` === "TS" ```typescript title="array.ts" /* 走訪陣列 */ function traverse(nums: number[]): void { let count = 0; // 透過索引走訪陣列 for (let i = 0; i < nums.length; i++) { count += nums[i]; } // 直接走訪陣列元素 for (const num of nums) { count += num; } } ``` === "Dart" ```dart title="array.dart" /* 走訪陣列元素 */ void traverse(List nums) { int count = 0; // 透過索引走訪陣列 for (var i = 0; i < nums.length; i++) { count += nums[i]; } // 直接走訪陣列元素 for (int _num in nums) { count += _num; } // 透過 forEach 方法走訪陣列 nums.forEach((_num) { count += _num; }); } ``` === "Rust" ```rust title="array.rs" /* 走訪陣列 */ fn traverse(nums: &[i32]) { let mut _count = 0; // 透過索引走訪陣列 for i in 0..nums.len() { _count += nums[i]; } // 直接走訪陣列元素 for num in nums { _count += num; } } ``` === "C" ```c title="array.c" /* 走訪陣列 */ void traverse(int *nums, int size) { int count = 0; // 透過索引走訪陣列 for (int i = 0; i < size; i++) { count += nums[i]; } } ``` === "Kotlin" ```kotlin title="array.kt" /* 走訪陣列 */ fun traverse(nums: IntArray) { var count = 0 // 透過索引走訪陣列 for (i in nums.indices) { count += nums[i] } // 直接走訪陣列元素 for (j in nums) { count += j } } ``` === "Ruby" ```ruby title="array.rb" ### 走訪陣列 ### def traverse(nums) count = 0 # 透過索引走訪陣列 for i in 0...nums.length count += nums[i] end # 直接走訪陣列元素 for num in nums count += num end end ``` === "Zig" ```zig title="array.zig" // 走訪陣列 fn traverse(nums: []i32) void { var count: i32 = 0; // 透過索引走訪陣列 var i: i32 = 0; while (i < nums.len) : (i += 1) { count += nums[i]; } count = 0; // 直接走訪陣列元素 for (nums) |num| { count += num; } } ``` ??? pythontutor "視覺化執行"
### 6.   查詢元素 在陣列中查詢指定元素需要走訪陣列，每輪判斷元素值是否匹配，若匹配則輸出對應索引。 因為陣列是線性資料結構，所以上述查詢操作被稱為“線性查詢”。 === "Python" ```python title="array.py" def find(nums: list[int], target: int) -> int: """在陣列中查詢指定元素""" for i in range(len(nums)): if nums[i] == target: return i return -1 ``` === "C++" ```cpp title="array.cpp" /* 在陣列中查詢指定元素 */ int find(int *nums, int size, int target) { for (int i = 0; i < size; i++) { if (nums[i] == target) return i; } return -1; } ``` === "Java" ```java title="array.java" /* 在陣列中查詢指定元素 */ int find(int[] nums, int target) { for (int i = 0; i < nums.length; i++) { if (nums[i] == target) return i; } return -1; } ``` === "C#" ```csharp title="array.cs" /* 在陣列中查詢指定元素 */ int Find(int[] nums, int target) { for (int i = 0; i < nums.Length; i++) { if (nums[i] == target) return i; } return -1; } ``` === "Go" ```go title="array.go" /* 在陣列中查詢指定元素 */ 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 } ``` === "Swift" ```swift title="array.swift" /* 在陣列中查詢指定元素 */ func find(nums: [Int], target: Int) -> Int { for i in nums.indices { if nums[i] == target { return i } } return -1 } ``` === "JS" ```javascript title="array.js" /* 在陣列中查詢指定元素 */ function find(nums, target) { for (let i = 0; i < nums.length; i++) { if (nums[i] === target) return i; } return -1; } ``` === "TS" ```typescript title="array.ts" /* 在陣列中查詢指定元素 */ function find(nums: number[], target: number): number { for (let i = 0; i < nums.length; i++) { if (nums[i] === target) { return i; } } return -1; } ``` === "Dart" ```dart title="array.dart" /* 在陣列中查詢指定元素 */ int find(List nums, int target) { for (var i = 0; i < nums.length; i++) { if (nums[i] == target) return i; } return -1; } ``` === "Rust" ```rust title="array.rs" /* 在陣列中查詢指定元素 */ fn find(nums: &[i32], target: i32) -> Option { for i in 0..nums.len() { if nums[i] == target { return Some(i); } } None } ``` === "C" ```c title="array.c" /* 在陣列中查詢指定元素 */ int find(int *nums, int size, int target) { for (int i = 0; i < size; i++) { if (nums[i] == target) return i; } return -1; } ``` === "Kotlin" ```kotlin title="array.kt" /* 在陣列中查詢指定元素 */ fun find(nums: IntArray, target: Int): Int { for (i in nums.indices) { if (nums[i] == target) return i } return -1 } ``` === "Ruby" ```ruby title="array.rb" ### 在陣列中查詢指定元素 ### def find(nums, target) for i in 0...nums.length return i if nums[i] == target end -1 end ``` === "Zig" ```zig title="array.zig" // 在陣列中查詢指定元素 fn find(nums: []i32, target: i32) i32 { for (nums, 0..) |num, i| { if (num == target) return @intCast(i); } return -1; } ``` ??? pythontutor "視覺化執行"
### 7.   擴容陣列 在複雜的系統環境中，程式難以保證陣列之後的記憶體空間是可用的，從而無法安全地擴展陣列容量。因此在大多數程式語言中，**陣列的長度是不可變的**。 如果我們希望擴容陣列，則需重新建立一個更大的陣列，然後把原陣列元素依次複製到新陣列。這是一個 $O(n)$ 的操作，在陣列很大的情況下非常耗時。程式碼如下所示： === "Python" ```python title="array.py" def extend(nums: list[int], enlarge: int) -> list[int]: """擴展陣列長度""" # 初始化一個擴展長度後的陣列 res = [0] * (len(nums) + enlarge) # 將原陣列中的所有元素複製到新陣列 for i in range(len(nums)): res[i] = nums[i] # 返回擴展後的新陣列 return res ``` === "C++" ```cpp title="array.cpp" /* 擴展陣列長度 */ int *extend(int *nums, int size, int enlarge) { // 初始化一個擴展長度後的陣列 int *res = new int[size + enlarge]; // 將原陣列中的所有元素複製到新陣列 for (int i = 0; i < size; i++) { res[i] = nums[i]; } // 釋放記憶體 delete[] nums; // 返回擴展後的新陣列 return res; } ``` === "Java" ```java title="array.java" /* 擴展陣列長度 */ int[] extend(int[] nums, int enlarge) { // 初始化一個擴展長度後的陣列 int[] res = new int[nums.length + enlarge]; // 將原陣列中的所有元素複製到新陣列 for (int i = 0; i < nums.length; i++) { res[i] = nums[i]; } // 返回擴展後的新陣列 return res; } ``` === "C#" ```csharp title="array.cs" /* 擴展陣列長度 */ int[] Extend(int[] nums, int enlarge) { // 初始化一個擴展長度後的陣列 int[] res = new int[nums.Length + enlarge]; // 將原陣列中的所有元素複製到新陣列 for (int i = 0; i < nums.Length; i++) { res[i] = nums[i]; } // 返回擴展後的新陣列 return res; } ``` === "Go" ```go title="array.go" /* 擴展陣列長度 */ func extend(nums []int, enlarge int) []int { // 初始化一個擴展長度後的陣列 res := make([]int, len(nums)+enlarge) // 將原陣列中的所有元素複製到新陣列 for i, num := range nums { res[i] = num } // 返回擴展後的新陣列 return res } ``` === "Swift" ```swift title="array.swift" /* 擴展陣列長度 */ func extend(nums: [Int], enlarge: Int) -> [Int] { // 初始化一個擴展長度後的陣列 var res = Array(repeating: 0, count: nums.count + enlarge) // 將原陣列中的所有元素複製到新陣列 for i in nums.indices { res[i] = nums[i] } // 返回擴展後的新陣列 return res } ``` === "JS" ```javascript title="array.js" /* 擴展陣列長度 */ // 請注意，JavaScript 的 Array 是動態陣列，可以直接擴展 // 為了方便學習，本函式將 Array 看作長度不可變的陣列 function extend(nums, enlarge) { // 初始化一個擴展長度後的陣列 const res = new Array(nums.length + enlarge).fill(0); // 將原陣列中的所有元素複製到新陣列 for (let i = 0; i < nums.length; i++) { res[i] = nums[i]; } // 返回擴展後的新陣列 return res; } ``` === "TS" ```typescript title="array.ts" /* 擴展陣列長度 */ // 請注意，TypeScript 的 Array 是動態陣列，可以直接擴展 // 為了方便學習，本函式將 Array 看作長度不可變的陣列 function extend(nums: number[], enlarge: number): number[] { // 初始化一個擴展長度後的陣列 const res = new Array(nums.length + enlarge).fill(0); // 將原陣列中的所有元素複製到新陣列 for (let i = 0; i < nums.length; i++) { res[i] = nums[i]; } // 返回擴展後的新陣列 return res; } ``` === "Dart" ```dart title="array.dart" /* 擴展陣列長度 */ List extend(List nums, int enlarge) { // 初始化一個擴展長度後的陣列 List res = List.filled(nums.length + enlarge, 0); // 將原陣列中的所有元素複製到新陣列 for (var i = 0; i < nums.length; i++) { res[i] = nums[i]; } // 返回擴展後的新陣列 return res; } ``` === "Rust" ```rust title="array.rs" /* 擴展陣列長度 */ fn extend(nums: Vec, enlarge: usize) -> Vec { // 初始化一個擴展長度後的陣列 let mut res: Vec = vec![0; nums.len() + enlarge]; // 將原陣列中的所有元素複製到新 for i in 0..nums.len() { res[i] = nums[i]; } // 返回擴展後的新陣列 res } ``` === "C" ```c title="array.c" /* 擴展陣列長度 */ int *extend(int *nums, int size, int enlarge) { // 初始化一個擴展長度後的陣列 int *res = (int *)malloc(sizeof(int) * (size + enlarge)); // 將原陣列中的所有元素複製到新陣列 for (int i = 0; i < size; i++) { res[i] = nums[i]; } // 初始化擴展後的空間 for (int i = size; i < size + enlarge; i++) { res[i] = 0; } // 返回擴展後的新陣列 return res; } ``` === "Kotlin" ```kotlin title="array.kt" /* 擴展陣列長度 */ fun extend(nums: IntArray, enlarge: Int): IntArray { // 初始化一個擴展長度後的陣列 val res = IntArray(nums.size + enlarge) // 將原陣列中的所有元素複製到新陣列 for (i in nums.indices) { res[i] = nums[i] } // 返回擴展後的新陣列 return res } ``` === "Ruby" ```ruby title="array.rb" ### 擴展陣列長度 ### # 請注意，Ruby 的 Array 是動態陣列，可以直接擴展 # 為了方便學習，本函式將 Array 看作長度不可變的陣列 def extend(nums, enlarge) # 初始化一個擴展長度後的陣列 res = Array.new(nums.length + enlarge, 0) # 將原陣列中的所有元素複製到新陣列 for i in 0...nums.length res[i] = nums[i] end # 返回擴展後的新陣列 res end ``` === "Zig" ```zig title="array.zig" // 擴展陣列長度 fn extend(mem_allocator: std.mem.Allocator, nums: []i32, enlarge: usize) ![]i32 { // 初始化一個擴展長度後的陣列 var res = try mem_allocator.alloc(i32, nums.len + enlarge); @memset(res, 0); // 將原陣列中的所有元素複製到新陣列 std.mem.copy(i32, res, nums); // 返回擴展後的新陣列 return res; } ``` ??? pythontutor "視覺化執行"
## 4.1.2   陣列的優點與侷限性 陣列儲存在連續的記憶體空間內，且元素型別相同。這種做法包含豐富的先驗資訊，系統可以利用這些資訊來最佳化資料結構的操作效率。 - **空間效率高**：陣列為資料分配了連續的記憶體塊，無須額外的結構開銷。 - **支持隨機訪問**：陣列允許在 $O(1)$ 時間內訪問任何元素。 - **快取區域性**：當訪問陣列元素時，計算機不僅會載入它，還會快取其周圍的其他資料，從而藉助高速快取來提升後續操作的執行速度。 連續空間儲存是一把雙刃劍，其存在以下侷限性。 - **插入與刪除效率低**：當陣列中元素較多時，插入與刪除操作需要移動大量的元素。 - **長度不可變**：陣列在初始化後長度就固定了，擴容陣列需要將所有資料複製到新陣列，開銷很大。 - **空間浪費**：如果陣列分配的大小超過實際所需，那麼多餘的空間就被浪費了。 ## 4.1.3   陣列典型應用 陣列是一種基礎且常見的資料結構，既頻繁應用在各類演算法之中，也可用於實現各種複雜資料結構。 - **隨機訪問**：如果我們想隨機抽取一些樣本，那麼可以用陣列儲存，並生成一個隨機序列，根據索引實現隨機抽樣。 - **排序和搜尋**：陣列是排序和搜尋演算法最常用的資料結構。快速排序、合併排序、二分搜尋等都主要在陣列上進行。 - **查詢表**：當需要快速查詢一個元素或其對應關係時，可以使用陣列作為查詢表。假如我們想實現字元到 ASCII 碼的對映，則可以將字元的 ASCII 碼值作為索引，對應的元素存放在陣列中的對應位置。 - **機器學習**：神經網路中大量使用了向量、矩陣、張量之間的線性代數運算，這些資料都是以陣列的形式構建的。陣列是神經網路程式設計中最常使用的資料結構。 - **資料結構實現**：陣列可以用於實現堆疊、佇列、雜湊表、堆積、圖等資料結構。例如，圖的鄰接矩陣表示實際上是一個二維陣列。