array

初始化数组

我们可以根据需求选用数组的两种初始化方式：无初始值、给定初始值。在未指定初始值的情况下，大多数编程语言会将数组元素初始化为 $0$ ：

array.cpp

/* 初始化数组 */
// 存储在栈上
int arr[5];
int nums[5] = { 1, 3, 2, 5, 4 };
// 存储在堆上（需要手动释放空间）
int* arr1 = new int[5];
int* nums1 = new int[5] { 1, 3, 2, 5, 4 };

stack是自动分配的，比较小，我们可以手动分配更大的heap来存数据，使用后手动删除。二者都被存在Random Access Memory, RAM中

访问元素

数组元素被存储在连续的内存空间中，这意味着计算数组元素的内存地址非常容易。给定数组内存地址（首元素内存地址）和某个元素的索引，我们可以使用下图所示的公式计算得到该元素的内存地址，从而直接访问该元素。

索引本质上是内存地址的偏移量。首个元素的地址偏移量是 $0$ ，因此它的索引为 $0$ 。

在数组中访问元素非常高效，我们可以在 $O(1)$ 时间内随机访问数组中的任意一个元素。

在复杂的系统环境中，程序难以保证数组之后的内存空间是可用的，从而无法安全地扩展数组容量。因此在大多数编程语言中，数组的长度是不可变的。如果我们希望扩容数组，则需重新建立一个更大的数组，然后把原数组元素依次复制到新数组。这是一个 $O(n)$ 的操作，在数组很大的情况下非常耗时。

数组的优点与局限性

数组存储在连续的内存空间内，且元素类型相同。这种做法包含丰富的先验信息，系统可以利用这些信息来优化数据结构的操作效率。

• 空间效率高：数组为数据分配了连续的内存块，无须额外的结构开销。
• 支持随机访问：数组允许在 $O(1)$ 时间内访问任何元素。
• 缓存局部性：当访问数组元素时，计算机不仅会加载它，还会缓存其周围的其他数据，从而借助高速缓存来提升后续操作的执行速度。

连续空间存储是一把双刃剑，其存在以下局限性。

• 插入与删除效率低：当数组中元素较多时，插入与删除操作需要移动大量的元素。
• 长度不可变：数组在初始化后长度就固定了，扩容数组需要将所有数据复制到新数组，开销很大。
• 空间浪费：如果数组分配的大小超过实际所需，那么多余的空间就被浪费了。

数组典型应用

数组是一种基础且常见的数据结构，既频繁应用在各类算法之中，也可用于实现各种复杂数据结构。

• 随机访问：数组 $O(1)$ 定位，链表要 $O(n)$ 遍历 → 数组更快。如果我们想随机抽取一些样本，那么可以用数组存储，并生成一个随机序列，根据索引实现随机抽样。
• 排序和搜索：算法要求 连续存储 + 索引访问，数组正好符合。快速排序、归并排序、二分查找等都主要在数组上进行。
• 查找表：ASCII 码就是整数索引，数组映射最自然。假如我们想实现字符到 ASCII 码的映射，则可以将字符的 ASCII 码值作为索引，对应的元素存放在数组中的对应位置。
• 机器学习：矩阵运算是核心，数组直接支持高效的批量线性代数。神经网络中大量使用了向量、矩阵、张量之间的线性代数运算，这些数据都是以数组的形式构建的。数组是神经网络编程中最常使用的数据结构。
• 数据结构实现：数组可以用于实现栈、队列、哈希表、堆、图等数据结构。例如，图的邻接矩阵表示实际上是一个二维数组。

  • 栈/队列：用数组存储 + 指针维护下标即可。

  • 堆：用数组表示二叉树（父子节点可直接用下标关系）。

  • 图邻接矩阵：二维数组天然表示点与点的关系。

当使用数组实现列表时，长度不可变的性质会导致列表的实用性降低。这是因为我们通常无法事先确定需要存储多少数据，从而难以选择合适的列表长度。若长度过小，则很可能无法满足使用需求；若长度过大，则会造成内存空间浪费。

为解决此问题，我们可以使用动态数组（dynamic array）来实现列表。它继承了数组的各项优点，并且可以在程序运行过程中进行动态扩容。

实际上，许多编程语言中的标准库提供的列表是基于动态数组实现的，例如 Python 中的 list 、Java 中的 ArrayList 、C++ 中的 vector 和 C# 中的 List 等。