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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」。

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"

```

=== "Python"

```python title="array.py"
""" 初始化数组 """
arr = [0] * 5  # [ 0, 0, 0, 0, 0 ]
nums = [1, 3, 2, 5, 4]  
```

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。

Fig. 数组元素的内存地址计算

// 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"
/* 随机返回一个数组元素 */
int randomAccess(int[] nums) {
    int randomIndex = ThreadLocalRandom.current().
                      nextInt(0, nums.length);
    int randomNum = nums[randomIndex];
    return randomNum;
}
```

=== "C++"

```cpp title="array.cpp"

```

=== "Python"

```python title="array.py"
""" 随机访问元素 """
def randomAccess(nums):
    # 在区间 [0, len(nums)) 中随机抽取一个数字
    random_index = random.randint(0, len(nums))
    # 获取并返回随机元素
    random_num = nums[random_index]
    return random_num
```

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"
/* 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;
}
```

=== "C++"

```cpp title="array.cpp"

```

=== "Python"

```python title="array.py"
""" 扩展数组长度 """
def extend(nums, enlarge):
    # 初始化一个扩展长度后的数组
    res = [0] * (len(nums) + enlarge)
    # 将原数组中的所有元素复制到新数组
    for i in range(len(nums)):
        res[i] = nums[i]
    # 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。
丢失元素或： 由于数组的长度不可变，因此在插入元素后，数组原来的末尾元素会丢失。
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。

Fig. 在数组中插入与删除元素

=== "Java"

```java title="array.java"
/* 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];
    }
}
```

=== "C++"

```cpp title="array.cpp"

```

=== "Python"

```python title="array.py"
""" 在数组的索引 index 处插入元素 num """
def insert(nums, num, index):
    # 把索引 index 以及之后的所有元素向后移动一位
    for i in range(len(nums) - 1, index - 1, -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 """
def remove(nums, index):
    # 把索引 index 之后的所有元素向前移动一位
    for i in range(index, len(nums) - 1):
        nums[i] = nums[i + 1]
```

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"
/* 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
    for (int num : nums) {
        count++;
    }
}
```

=== "C++"

```cpp title="array.cpp"

```

=== "Python"

```python title="array.py"
""" 遍历数组 """
def traverse(nums):
    count = 0
    # 通过索引遍历数组
    for i in range(len(nums)):
        count += 1
    # 直接遍历数组
    for num in 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"
/* 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;
}
```

=== "C++"

```cpp title="array.cpp"

```

=== "Python"

```python title="array.py"
""" 在数组中查找指定元素 """
def find(nums, target):
    for i in range(len(nums)):
        if nums[i] == target:
            return i
    return -1
```

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。

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数组常用操作

数组典型应用

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