Yudong Jin
16 KiB
Массив
Массив (array) - это линейная структура данных, в которой элементы одного типа хранятся в непрерывной области памяти. Положение элемента в массиве называется его индексом (index). На рисунке ниже показаны основные понятия, связанные с массивом, и способ его хранения.
Основные операции с массивом
Инициализация массива
Существует два способа инициализации массива: без начальных значений и с заданными начальными значениями. Если начальные значения не указаны, большинство языков программирования инициализируют элементы массива нулями:
=== "Python"
```python title="array.py"
# Инициализация массива
arr: list[int] = [0] * 5 # [ 0, 0, 0, 0, 0 ]
nums: list[int] = [1, 3, 2, 5, 4]
```
=== "C++"
```cpp title="array.cpp"
/* Инициализация массива */
// Хранится в стеке
int arr[5];
int nums[5] = { 1, 3, 2, 5, 4 };
// Хранится в куче (требуется ручное освобождение памяти)
int* arr1 = new int[5];
int* nums1 = new int[5] { 1, 3, 2, 5, 4 };
```
=== "Java"
```java title="array.java"
/* Инициализация массива */
int[] arr = new int[5]; // { 0, 0, 0, 0, 0 }
int[] nums = { 1, 3, 2, 5, 4 };
```
=== "C#"
```csharp title="array.cs"
/* Инициализация массива */
int[] arr = new int[5]; // [ 0, 0, 0, 0, 0 ]
int[] nums = [1, 3, 2, 5, 4];
```
=== "Go"
```go title="array.go"
/* Инициализация массива */
var arr [5]int
// В Go указание длины ([5]int) создает массив, а отсутствие длины ([]int) - срез
// Поскольку длина массива в Go определяется на этапе компиляции, для задания длины можно использовать только константы
// Чтобы упростить реализацию метода extend(), ниже будем рассматривать срезы (Slice) как массивы (Array)
nums := []int{1, 3, 2, 5, 4}
```
=== "Swift"
```swift title="array.swift"
/* Инициализация массива */
let arr = Array(repeating: 0, count: 5) // [0, 0, 0, 0, 0]
let nums = [1, 3, 2, 5, 4]
```
=== "JS"
```javascript title="array.js"
/* Инициализация массива */
var arr = new Array(5).fill(0);
var nums = [1, 3, 2, 5, 4];
```
=== "TS"
```typescript title="array.ts"
/* Инициализация массива */
let arr: number[] = new Array(5).fill(0);
let nums: number[] = [1, 3, 2, 5, 4];
```
=== "Dart"
```dart title="array.dart"
/* Инициализация массива */
List<int> arr = List.filled(5, 0); // [0, 0, 0, 0, 0]
List<int> nums = [1, 3, 2, 5, 4];
```
=== "Rust"
```rust title="array.rs"
/* Инициализация массива */
let arr: [i32; 5] = [0; 5]; // [0, 0, 0, 0, 0]
let slice: &[i32] = &[0; 5];
// В Rust указание длины ([i32; 5]) создает массив, а отсутствие длины (&[i32]) - срез
// Поскольку длина массива в Rust определяется на этапе компиляции, для задания длины можно использовать только константы
// Vector в Rust обычно используется как динамический массив
// Чтобы упростить реализацию метода extend(), ниже будем рассматривать vector как массив (array)
let nums: Vec<i32> = vec![1, 3, 2, 5, 4];
```
=== "C"
```c title="array.c"
/* Инициализация массива */
int arr[5] = { 0 }; // { 0, 0, 0, 0, 0 }
int nums[5] = { 1, 3, 2, 5, 4 };
```
=== "Kotlin"
```kotlin title="array.kt"
/* Инициализация массива */
var arr = IntArray(5) // { 0, 0, 0, 0, 0 }
var nums = intArrayOf(1, 3, 2, 5, 4)
```
=== "Ruby"
```ruby title="array.rb"
# Инициализация массива
arr = Array.new(5, 0)
nums = [1, 3, 2, 5, 4]
```
??? pythontutor "Визуализация выполнения"
https://pythontutor.com/render.html#code=%23%20%D0%98%D0%BD%D0%B8%D1%86%D0%B8%D0%B0%D0%BB%D0%B8%D0%B7%D0%B8%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D1%82%D1%8C%20%D0%BC%D0%B0%D1%81%D1%81%D0%B8%D0%B2%0Aarr%20%3D%20%5B0%5D%20%2A%205%20%20%23%20%5B%200%2C%200%2C%200%2C%200%2C%200%20%5D%0Anums%20%3D%20%5B1%2C%203%2C%202%2C%205%2C%204%5D&cumulative=false&curInstr=0&heapPrimitives=nevernest&mode=display&origin=opt-frontend.js&py=311&rawInputLstJSON=%5B%5D&textReferences=false
Доступ к элементам
Элементы массива хранятся в непрерывной области памяти, что упрощает вычисление их адресов. Зная адрес массива в памяти (то есть адрес первого элемента) и индекс некоторого элемента, мы можем по формуле с рисунка ниже вычислить адрес этого элемента и напрямую обратиться к нему.
Если посмотреть на рисунок выше, можно заметить, что индекс первого элемента массива равен 0 , и это кажется не слишком интуитивным, ведь естественнее было бы начинать счет с 1 . Однако с точки зрения формулы адресации индекс по сути является смещением относительно адреса памяти. Смещение первого элемента равно 0 , поэтому индекс 0 полностью логичен.
Доступ к элементам массива очень эффективен: любой элемент массива можно получить за O(1) времени.
[file]{array}-[class]{}-[func]{random_access}
Вставка элемента
Элементы массива в памяти расположены вплотную друг к другу, и между ними нет места для размещения новых данных. Как показано на рисунке ниже, если мы хотим вставить элемент в середину массива, то все элементы после этой позиции нужно сдвинуть на одну позицию вправо, а затем записать новое значение в освободившийся индекс.
Стоит отметить, что длина массива фиксирована, поэтому вставка нового элемента неизбежно приведет к потере элемента на конце массива. Решение этой проблемы мы оставим для обсуждения в разделе о "списках".
[file]{array}-[class]{}-[func]{insert}
Удаление элемента
Аналогично, как показано на рисунке ниже, если нужно удалить элемент по индексу i , то все элементы после индекса i необходимо сдвинуть на одну позицию влево.
Обрати внимание: после удаления исходный последний элемент становится бессмысленным, поэтому специально изменять его не требуется.
[file]{array}-[class]{}-[func]{remove}
В целом операции вставки и удаления в массиве имеют следующие недостатки.
- Высокая временная сложность: средняя временная сложность и вставки, и удаления равна
O(n), гдеn- длина массива. - Потеря элементов: поскольку длина массива неизменяема, после вставки элементы, выходящие за пределы длины массива, будут потеряны.
- Потери памяти: можно заранее инициализировать более длинный массив и использовать только его переднюю часть; тогда теряемые при вставке элементы на конце не будут нести смысла, но такой подход приводит к лишнему расходу памяти.
Обход массива
В большинстве языков программирования массив можно обходить как по индексу, так и напрямую перебирая каждый элемент:
[file]{array}-[class]{}-[func]{traverse}
Поиск элемента
Чтобы найти заданный элемент в массиве, нужно пройти по массиву и на каждой итерации проверять, совпадает ли значение; если совпадает, вернуть соответствующий индекс.
Поскольку массив - это линейная структура данных, такая операция поиска называется линейным поиском.
[file]{array}-[class]{}-[func]{find}
Расширение массива
В сложной системной среде программа не может гарантировать, что память сразу после массива доступна, поэтому безопасно расширить емкость массива невозможно. Поэтому в большинстве языков программирования длина массива неизменяема.
Если мы хотим расширить массив, нужно заново создать больший массив и затем по одному скопировать в него элементы исходного массива. Это операция с временной сложностью O(n) , и при больших массивах она очень затратна. Соответствующий код показан ниже:
[file]{array}-[class]{}-[func]{extend}
Преимущества и ограничения массива
Массив хранится в непрерывной области памяти, и все его элементы имеют один и тот же тип. Такой подход содержит богатую априорную информацию, которую система может использовать для оптимизации эффективности операций с этой структурой данных.
- Высокая пространственная эффективность: массив выделяет для данных непрерывный блок памяти без дополнительного структурного накладного расхода.
- Поддержка произвольного доступа: массив позволяет обращаться к любому элементу за
O(1)времени. - Локальность кэша: при обращении к элементу массива компьютер загружает не только сам элемент, но и соседние данные, что позволяет использовать кэш для ускорения последующих операций.
Непрерывное хранение данных - это палка о двух концах, и у него есть следующие ограничения.
- Низкая эффективность вставки и удаления: когда элементов в массиве много, вставка и удаление требуют сдвига большого количества элементов.
- Неизменяемая длина: после инициализации длина массива фиксирована; расширение массива требует копирования всех данных в новый массив, что стоит дорого.
- Потери памяти: если выделенный массив больше, чем реально необходимо, лишнее пространство пропадает впустую.
Типичные применения массива
Массив - это базовая и очень распространенная структура данных. Он часто используется как в различных алгоритмах, так и при реализации более сложных структур данных.
- Произвольный доступ: если мы хотим случайным образом выбирать некоторые образцы, можно сохранить их в массиве и сгенерировать случайную последовательность индексов для выборки.
- Сортировка и поиск: массив - самая распространенная структура данных для алгоритмов сортировки и поиска. Быстрая сортировка, сортировка слиянием, двоичный поиск и многие другие алгоритмы в основном работают именно с массивами.
- Таблица поиска: когда нужно быстро находить элемент или его соответствие, массив можно использовать как таблицу поиска. Например, если мы хотим реализовать отображение символов в коды ASCII, можно использовать значение ASCII как индекс, а соответствующий элемент хранить по этой позиции массива.
- Машинное обучение: в нейронных сетях широко используются операции линейной алгебры над векторами, матрицами и тензорами, и все эти данные строятся в форме массивов. Массив - самая часто используемая структура данных в программировании нейросетей.
- Реализация структур данных: массивы можно использовать для реализации стеков, очередей, хеш-таблиц, куч, графов и других структур данных. Например, матрица смежности графа по сути является двумерным массивом.