數組

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1、認識數組

數組是一種線性表數據結構。它用一塊連續的內存空間，來存儲相同類型的一組數據。

1. 概念的理解

線性表:

顧名思義，線性表就是數據排列成像一條線同樣的結構。每一個線性表上的數據最多隻有前和後兩個方向，數組，鏈表，棧，隊列等都是典型的線性表結構。

與其相對立的，在非線性表中，數據之間並非簡單的先後關係，像樹，堆，圖等都是典型的非線性表。

連續的內存空間和相同類型的數據：

即計算機分配連續的內存單元來存儲數據，相同類型的數據即每一個內存單元的大小是相同的。

如聲明一個長度爲 5 的 int 類型的數組 int[] arr = new int[5] ，計算機給數組分配了一塊連續的內存空間，其中內存塊的首地址爲 base_address = 0xc0000160e0，每一個內存單元佔 4 個字節：

2. 高效的隨機訪問

數組的一個特色是能夠根據下標隨機訪問數組元素，其時間複雜度爲 O(1)，那麼它是如何實現的呢？

計算機分配的內存單元存儲數據時，也會爲內存單元分配一個地址，而後能夠經過地址來訪問內存中的數據。由數組的內存空間連續的特性，當須要訪問某個元素時，它會經過下面的尋址公式來計算出該元素存儲的內存地址：

// 一維數組 arr[n]：
arr[i]_address = base_address + i * data_type_size

// 二維數組 arr[m][n]：
address = base_address + (i * n + j) * data_type_size

其中 data_type_size 表示數組中每一個元素的大小，如在 int 型的數組 arr 中，data_type_size 就爲 4 個字節。

這樣，即可以很快的根據內存地址來讀取數據。

3. 低效的「插入」和「刪除」

在數組中，爲了保持內存數據的連續性，會致使插入、刪除這兩個操做比較低效。

例如在 插入操做 中，假設數組的長度爲 n，若咱們要在數組的第 k 個位置插入一個數據，爲了把第 k 個位置騰出來給新的數據，咱們須要將第 k ~ n 這部分的元素都順序地向後挪一位： arr[i] = arr[i-1] 。其時間複雜度爲 O(n)。

而在 刪除操做 中，若咱們要刪除數組的第 k 個元素，爲了內存的連續性，就須要將第 k ~ n 這部分的元素都順序地向前挪一位： arr[i] = arr[i+1] 。其時間複雜度爲 O(n)。

插入和刪除操做的優化

然而在不少咱們不須要考慮數組中元素的有序性，數組只被看成一個存儲數據的集合的時候，爲了不大規模的數據搬移，咱們能夠對插入和刪除操做作一些優化。例如：

• 若是要將某個數據插入到第 k 個位置，能夠直接將第 k 爲的數據搬移到數組元素的末尾，而後將新的元素值直接賦值給第 k 個元素；
• 若是要將第 k 個元素刪除，能夠直接將數組的最後一個元素賦值給第 k 個元素，而後刪除最後一個元素便可。

這樣，其時間複雜度就會降爲 O(1) 。

4. 容器與數組的比較

對於數組類型，Java 中的 ArrayList 容器是基於數組實現的，那麼兩者相比各有什麼優勢和適用場景呢？

1. ArrayList 的優點是方便，適合在通常的業務中使用。它將不少數組的操做細節封裝起來了，如數據的插入、刪除、數組的擴容。ArrayList 沒法存儲基本類型，好比 int、double，須要封裝爲 Integer、Double 類，而自動裝箱/拆箱的操做會有必定的性能消耗；
2. 相對於容器來講，數組的使用雖然麻煩一點，但它的性能會優於容器，更適合用於底層的開發和追求極致性能的優化。

2、數組擴容及拷貝

1. 數組的擴容

數組是根據固定容量建立的，在必要的時候咱們須要對數組 arr 進行擴容：

// 初始長度爲 10
int[] arr = new int[10];
for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
    arr[i] = i+1;
}
...
// 下面決定須要對數組 arr 進行擴容
int[] newArr = new int[arr.length*2];

// 對原數組進行內容拷貝
for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
    newArr[i] = arr[i];
}

arr = newArr;

在對數組進行拷貝時除了利用 for 循環遍歷數組元素進行拷貝外，推薦使用更高效的 System.arraycopy() 方法。

2. System.arraycopy() 方法拷貝數組

System.arraycopy() 使用 native 關鍵字修飾，大大加快程序性能，爲 JVM 內部固有方法。它經過手工編寫彙編或其餘優化方法來進行 Java 數組拷貝，這種方式比起直接在 Java 上進行 for 循環或 clone 是更加高效的。數組越大致現地越明顯。

該方法用於從指定源數組中進行拷貝操做，能夠指定開始位置，拷貝指定長度的元素到指定目標數組中。其聲明以下：

public static native void arraycopy(Object src,  int srcPos, Object dest, int destPos, int length);

參數說明：

1. src：要被複制的數組，
2. srcPos：被複制的數組開始複製的下標，
3. dest：目標數組，也就是要把數據放進來的數組，
4. destPos：從目標數組第幾個下標開始放入數據，
5. length：被複制的數組中拿幾個數值放到目標數組中；

例，數組 arr 進行擴容：

// 初始長度爲 10
int[] arr = new int[10];
for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
    arr[i] = i+1;
}
...
// 下面決定須要對數組 arr 進行擴容
int[] newArr = new int[arr.length*2];
System.arraycopy(arr,0,newArr,0,10); // 對原數組進行內容拷貝
arr = newArr;

絕大部分數組和基於數組實現的容器（ArrayList 等）的擴容都是基於 System.arraycopy() 方法進行操做的。

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