数组适合采用**顺序存储结构**,因为其很少涉及频繁的插入或删除操作,而更强调快速随机访问

  1. 数组结构的特点

    • 元素数目固定:数组一旦定义,其长度(即元素个数)不可动态增减。这使得数组在内存中占据连续且固定的存储空间。
    • 元素类型相同:数组中的所有元素必须是同一数据类型(如整型、浮点型等),这保证了内存布局的规整性和访问的一致性。
    • 下标有序且有界:每个元素通过下标进行访问,下标通常是整数,具有明确的起始和结束范围(如从 0 到 n-1 或从 1 到 n),并按顺序排列。
  2. 数组的基本运算

    • 按下标存取元素:给定一个下标 i,可在常量时间 O(1) 内获取对应位置的元素值。
    • 按下标修改元素:给定一个下标 i 和新值 x,可直接更新该位置的元素为 x,时间复杂度也为 O(1)。
  3. 数组的顺序存储
    数组适合采用顺序存储结构,因为其很少涉及频繁的插入或删除操作,而更强调快速随机访问。
    对于二维数组,有两种主要的存储方式:

    • 以行为主序(Row-major order):先存储第一行的所有元素,再存储第二行,依此类推。
      地址计算公式为:
      Loc(aij)=Loc(a11)+[(i−1)×n+(j−1)]×L \text{Loc}(a_{ij}) = \text{Loc}(a_{11}) + [(i-1) \times n + (j-1)] \times L Loc(aij)=Loc(a11)+[(i1)×n+(j1)]×L
      其中,m 是行数,n 是列数,L 是每个元素所占存储单元数。

    • 以列为主序(Column-major order):先存储第一列的所有元素,再存储第二列,依此类推。
      地址计算公式为:
      Loc(aij)=Loc(a11)+[(j−1)×m+(i−1)]×L \text{Loc}(a_{ij}) = \text{Loc}(a_{11}) + [(j-1) \times m + (i-1)] \times L Loc(aij)=Loc(a11)+[(j1)×m+(i1)]×L

  4. 补充说明
    数组是程序设计中最基础的线性数据结构之一,广泛应用于各种算法与数据处理中。高级语言如 C、Java 等都内置数组类型,其实质是“同类型变量的集合”。由于采用顺序存储,可通过下标直接计算出元素的物理地址,实现高效的随机存取(O(1) 时间复杂度),这是其最大优势。
    数组的插入和删除操作效率较低,主要原因在于其内存连续分配长度固定的特性。

  5. 内存空间连续:数组在内存中占用一段连续的空间。当在数组中间或开头插入一个新元素时,必须将该位置及其后的所有元素向后移动一位,以腾出空间;同样,删除一个元素时,需要将后续所有元素向前移动一位,以填补空缺。

  6. 时间复杂度高

    • 插入操作最坏情况下需移动 n 个元素(如在首位置插入),时间复杂度为 O(n)
    • 删除操作同理,最坏情况也是 O(n)
    • 即使在末尾插入或删除,若使用静态数组且无预留空间,则可能因超出容量而无法直接进行。
  7. 长度固定限制扩展:静态数组定义后大小不可变。若要插入超过原容量的元素,必须重新申请更大的连续空间,复制原有数据,再执行插入——这一系列操作进一步降低了效率。

相比之下,链表等动态结构通过指针连接节点,无需连续空间,插入删除只需修改指针,效率更高(O(1) 在已知位置下)。

因此,虽然数组的随机访问效率极高(O(1)),但牺牲了动态性,导致插入和删除成为性能瓶颈。
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