線性表結構：數組

什麼是數組

數組（Array）是一種線性表數據結構。它用一組連續的內存空間，來存儲一組具備相同類型的數據。對於數組，你要掌握兩個關鍵點。

1. 線性表

線性表就是數據排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。其實除了數組，鏈表、隊列、棧等也是線性表結構。

而與它相對立的概念是非線性表，好比二叉樹、堆、圖等。之因此叫非線性，是由於，在非線性表中，數據之間並非簡單的先後關係。好比說下面樹形結構中的D節點就有三個方向的數據。

2. 連續的內存空間和相同類型的數據

數組的存儲空間是連續的，並且必須存儲相同類型的數據。正是由於這兩個限制，它纔有了一個堪稱「殺手鐗」的特性：「隨機訪問」。但有利就有弊，這兩個限制也讓數組的不少操做變得很是低效，好比要想在數組中刪除、插入一個數據，爲了保證連續性，就須要作大量的數據搬移工做。

這邊解釋下隨機訪問的含義。隨機訪問是指經過元素的下標能立馬定位到元素在數組中的位置，隨機查找的時間複雜度爲O(1)。
有的人可能把在數組中查找元素和隨機訪問搞混了。在數組中查找元素必須進行數組遍歷，時間複雜度是O(n)，即便是排序的數組，經過二分查找，時間複雜度是O(logn)。

低效的「插入」和「刪除」

1. 插入操做

假設數組的長度爲 n，如今，若是咱們須要將一個數據插入到數組中的第 k 個位置。爲了把第 k 個位置騰出來，給新來的數據，咱們須要將第 k～n 這部分的元素都順序地日後挪一位。這個操做的時間複雜度是O(n)。

若是數組中的數據是有序的，咱們在某個位置插入一個新的元素時，就必須按照剛纔的方法搬移 k 以後的數據。可是，若是數組中存儲的數據並無任何規律，數組只是被看成一個存儲數據的集合。在這種狀況下，若是要將某個數據插入到第 k 個位置，爲了不大規模的數據搬移，咱們還有一個簡單的辦法就是，直接將第 k 位的數據搬移到數組元素的最後，把新的元素直接放入第 k 個位置。

爲了更好地理解，咱們舉一個例子。假設數組 a[10]中存儲了以下 5 個元素：a，b，c，d，e。咱們如今須要將元素 x 插入到第 3 個位置。咱們只須要將 c 放入到 a[5]，將 a[2]賦值爲 x 便可。最後，數組中的元素以下： a，b，x，d，e，c。

利用這種處理技巧，在特定場景下，在第 k 個位置插入一個元素的時間複雜度就會降爲 O(1)。（直接將指定位置的元素放到數組最後一位後面array[array.length]=k）

2. 刪除操做
跟插入數據相似，若是咱們要刪除第 k 個位置的數據，爲了內存的連續性，也須要搬移數據，否則中間就會出現空洞，內存就不連續了。刪除操做的時間複雜度也是O(n)。

實際上，在某些特殊場景下，咱們並不必定非得追求數組中數據的連續性。若是咱們將屢次刪除操做集中在一塊兒執行，刪除的效率是否是會提升不少呢？

咱們繼續來看例子。數組 a[10]中存儲了 8 個元素：a，b，c，d，e，f，g，h。如今，咱們要依次刪除 a，b，c 三個元素。

爲了不 d，e，f，g，h 這幾個數據會被搬移三次，咱們能夠先記錄下已經刪除的數據。每次的刪除操做並非真正地搬移數據，只是記錄數據已經被刪除。當數組沒有更多空間存儲數據時，咱們再觸發執行一次真正的刪除操做，這樣就大大減小了刪除操做致使的數據搬移。

若是你瞭解 JVM，你會發現，這不就是 JVM 標記清除垃圾回收算法的核心思想。

關於數組使用的幾個注意點

• 當心數組越界訪問（通常在數組的長度範圍內訪問數組元素是沒什麼問題的）；
• 當心數組元素爲空，數組某個下標位置上的值多是空的，若是不作判斷的話可能會發生空指針異常。

怎麼實現數組這種數據結構

數組是每一個編程語言都會直接提供的數據結構。並且不少語言提供了更高級的容器實現，好比Java中的ArrayList。ArrayList 最大的優點就是能夠將不少數組操做的細節封裝起來。好比前面提到的數組插入、刪除數據時須要搬移其餘數據等。另外，它還有一個優點，就是支持動態擴容。

數組自己在定義的時候須要預先指定大小，由於須要分配連續的內存空間。若是咱們申請了大小爲 10 的數組，當第 11 個數據須要存儲到數組中時，咱們就須要從新分配一塊更大的空間，將原來的數據複製過去，而後再將新的數據插入。

若是使用 ArrayList，咱們就徹底不須要關心底層的擴容邏輯，ArrayList 已經幫咱們實現好了。每次存儲空間不夠的時候，它都會將空間自動擴容爲 1.5 倍大小。

不過，這裏須要注意一點，由於擴容操做涉及內存申請和數據搬移，是比較耗時的。因此，若是事先能肯定須要存儲的數據大小，最好在建立 ArrayList 的時候事先指定數據大小。

做爲高級語言編程者，是否是數組就無用武之地了呢？固然不是，有些時候，用數組會更合適些，我總結了幾點本身的經驗：

• Java ArrayList 沒法存儲基本類型，好比 int、long，須要封裝爲 Integer、Long 類，而 Autoboxing、Unboxing 則有必定的性能消耗，因此若是特別關注性能，或者但願使用基本類型，就能夠選用數組。
• 若是數據大小事先已知，而且對數據的操做很是簡單，用不到 ArrayList 提供的大部分方法，也能夠直接使用數組；
• 還有一個是我我的的喜愛，當要表示多維數組時，用數組每每會更加直觀。好比 Object[][] array；而用容器的話則須要這樣定義：ArrayList > array；

對於業務開發，直接使用容器就足夠了，省時省力。畢竟損耗一丟丟性能，徹底不會影響到系統總體的性能。但若是你是作一些很是底層的開發，好比開發網絡框架，性能的優化須要作到極致，這個時候數組就會優於容器，成爲首選。

有趣的知識點

數組的下標爲何從0開始？

其實數組的下標更確切的表述是相對於首地址的偏移量，這樣更容易尋址。

從數組存儲的內存模型上來看，「下標」最確切的定義應該是「偏移（offset）」。前面也講到，若是用 a 來表示數組的首地址，a[0]就是偏移爲 0 的位置，也就是首地址，a[k]就表示偏移 k 個 type_size 的位置，因此計算 a[k]的內存地址只須要用這個公式： a[k]_address = base_address + k * type_size 可是，若是數組從 1 開始計數，那咱們計算數組元素 a[k]的內存地址就會變爲： a[k]_address = base_address + (k-1)*type_size

一些網友留言

1. 數組的一些其餘應用

數組的應用真的不少，好比redis的內部實現，壓縮鏈表，快速鏈表，還有後來搞出一個緊湊列表來替代壓縮列表。並且不少自定義協議都是用數組作的，好比rocketmq的協議，前面幾位表明什麼，後面幾位表明什麼。

2. 標記清除法

標記清除具體步驟以下：

• 開始標記並程序暫停（stop the world）；
• 找到全部可達對象，並作上標記;
• 標記完成後開始清除未標記的對象;
• 清除完成;

其實全部的垃圾收集算法均可以分爲：標記階段和收集階段。只是不一樣的垃圾回收機制在這兩個階段使用的算法不同。

標記清除法帶來的問題

• STW (stop the world) 標記對象的時候程序須要暫停，致使程序出現卡頓，若是常常進行STW操做，程序性能將大幅降低；
• 標記須要掃描整個堆；
• 清除對象會產生堆碎片。

STW指的是JVM把全部線程都暫停了，這樣全部的對象都不會被修改，這個時候去掃描是絕對安全的。

3. 畫圖軟件推薦

ipad Paper

4.分代收集法 分代收集算法（針對JDK1.8如下）： 根據對象的存活週期分爲老年代，新生代，永久代 a、在新生代中，每次GC時都發現有大批對象死去，只有少許存活，使用複製算法。即在垃圾回收時，將正在使用的內存中存活對象複製到另外一塊未使用的內存中。以後清理正在使用的內存中全部對象，交換兩塊內存角色。反覆進行，完成垃圾回收。 b、在老年代中，由於對象存活率高、沒有額外空間對他進行分配擔保，使用「標記-清理」/「標記-整理」算法。即在標記階段，遍歷全部的GC Roots，而後將全部GC Roots可達的對象標記爲存活的對象。清除階段，清除的過程將遍歷堆中全部的對象，將沒有標記的對象所有清除掉。 c、永久代（Permanet Generation）/ 元空間（Metaspace） 永久代用於存儲已被虛擬機加載的類信息、常量、靜態變量、即時編譯後的代碼等數據。是JVM規範中方法區的具體實現。 是Hotspot虛擬機特有的概念，方法區/永久代是非堆內存。