L04_什么是数组

导读

在大部分编程语言中，数组都是从 0 开始编号的，但你是否下意识地想过，为什么数组要从 0 开始编号，而不是从 1 开始呢？ 从 1 开始不是更符合人类的思维习惯吗？

1、什么是数组

数组（Array）是一种线性表数据结构。它用一组连续的内存空间，来存储一组具有相同类型的数据。

2、数组的操作实现

2.1、随机访问

数组支持随机访问，根据下标随机访问的时间复杂度为 O(1)。

2.2、插入

如果在数组的末尾插入元素，那就不需要移动数据了，这时的时间复杂度为 O(1)。但如果在数组的开头插入元素，那所有的数据都需要依次往后移动一位，所以最坏时间复杂度是 O(n)。 因为我们在每个位置插入元素的概率是一样的，所以平均情况时间复杂度为 (1+2+…n)/n=O(n)。

2.3、删除

如果我们要删除第 k 个位置的数据，为了内存的连续性，也需要搬移数据，不然中间就会出现空洞，内存就不连续了。

和插入类似，如果删除数组末尾的数据，则最好情况时间复杂度为 O(1)；如果删除开头的数据，则最坏情况时间复杂度为 O(n)；平均情况时间复杂度也为 O(n)。

2.4、数组越界

Java 本身就会做越界检查，比如下面这几行 Java 代码，就会抛出 java.lang.ArrayIndexOutOfBoundsException。

int[] a = new int[3];
a[3] = 10;

3、容器能否代替数组

相比于数字，java中的ArrayList封装了数组的很多操作，并支持动态扩容。一旦超过存储容量，扩容时比较耗内存，因为涉及到内存申请和数据搬移。

4、数组适合的场景

• Java ArrayList 的使用涉及装箱拆箱，有一定的性能损耗，如果特别关注性能，可以考虑数组。
• 若数据大小事先已知，并且涉及的数据操作非常简单，可以使用数组。
• 表示多维数组时，数组往往更加直观。
• 业务开发建议使用容器，如果是底层开发，如网络框架，性能优化，那么选择数组。

5、数组为什么从0开始编号

5.1、寻址公式

由于数组是通过寻址公式，计算出该元素存储的内存地址：

a[i]_address = base_address + i * data_type_size

如果数组是从 1 开始计数，那么就会变成：

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

对于CPU来说，多了一次减法的指令。

5.2、历史原因

C 语言设计者用 0 开始计数数组下标，之后的 Java、JavaScript 等高级语言都效仿了 C 语言，或者说，为了在一定程度上减少 C 语言程序员学习 Java 的学习成本，因此继续沿用了从 0 开始计数的习惯。实际上，很多语言中数组也并不是从 0 开始计数的，比如 Matlab。甚至还有一些语言支持负数下标，比如 Python。