数组： 一种非常基础且重要的数据结构

前言

数组是一种非常基础且重要的数据结构，很多复杂的数据结构都是基于数组实现的。深入理解数据的存储原理和特点，有利于我们在实际开发工作中，充分发挥数据的优势。

数组是什么

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

在上面的定义中加黑的描述，我们可以发现数组的几个特点，分别是：线性表、连续的内存空间、相同类型的数据。如下图所示：

数组因具有连续的内存空间的特点，让数据拥有非常高效率的“随机访问”，但也是因为要保持这个连续的内存空间，导致数组在删除或插入操作的时非常低效。因为数组为了保持连续性，必然会涉及大量数据的搬移，这个是非常消耗时间的。

思考：这里你可能会有疑问：什么是连续的内存空间？

首先，我们来说说内存，内存是由一个个连续的内存单元组成的，每一个内存单元都有自己的地址。在这些内存单元中，有些被其他数据占用了，有些是空闲的。

然而数据中的每个元素，都存储在小小的内存单元中，并且元素之间紧密排列，既不能打乱元素的存储顺序，也不能跳过某个存储单元进行存储。

数组的随机访问

数组的随机访问是有个寻址公式的，上问中我们提到过数组是用一组连续的内存空间存储数据元素的，然而每个内存单元都有自己的地址（在计算机里面就是通过这个地址访问数据的），又加上每个内存单元的大小都是一样的，这样就很容易得到一个公式了，如下所示：

a[i]_address=base_address+i*data_type_size

我们来简单解释一下上述公式，其中data_type_size表示数组中每个元素的大小、base_address表示内存块的首地址、i 表示数组下标。

数组的基本操作

在开始之前我们先创建一个数组类，来模拟数组操作时候的相关操作。代码如下:

public class MyArray {

    private int[] array;
    // 数组大小
    private int size;

    public MyArray(int capacity) {
        this.size = 0;
        this.array = new int[capacity];
    }

}

1. 读取元素

我们知道数组在内存中是连续存储的，所以根据上文的寻址公式可以知道，我们可以根据数组下标 i 快速定位到对应的元素。

简单举例，代码如下：

int[] array={1,2,3,4,5,6};
System.out.println(array[1]); // 输出的是2  因为数组的下标是从0开始的。

2. 更新元素

我们可以根据数组下标快速查找到对应元素。那么同样道理，我们可以根据数组下标 i 快速更新元素，这中间涉及两个过程，首先就是找到数组下标 i 对应的数据元素A，然后将新的数据元素B赋值给A即完成更新。

简单举例，代码如下：

int[] array={1,2,3,4,5,6};
System.out.println(array[1]);  // 输出的是2

//更新数组下标为 1 的数组元素
array[1]=22;
System.out.println(array[1]); // 输出的是22  

3. 插入元素

相比读取、更新操作，插入元素稍微复杂一些，分为以下两种情况：

尾部插入：首先，我们看看尾部插入，这种情况很简单，在数组的最后新增一个新的元素，此时对于原数组来说没有任何影响，时间复杂度为0(1)。如下图所示：

中间插入：如果在数组的中间位置插入元素的话，此时会对插入元素位置之后的元素产生影响，也就是这些数据需要向后依次挪动一个位置。如下图所示：

中间插入的代码如下：

/**
 *  插入元素
 * @param index  待插入的位置
 * @param element 待插入的元素
*/
public void insert(int index,int element){
    if(index<0 || index>size){
       throw new IndexOutOfBoundsException("超过数组容量 ! 插入失败！");
     }
    // 从左到右，将元素向右移动一位
    for (int i=size-1 ; i>index ; i--){
       array[i+1]=array[i];
    }
    // 此时index这个位置已经腾空了，可以放进入element
    array[index]=element;
    //数组中元素个数+1
    size++;
}

3.1 数组扩容

因为数组的长度在创建的时候已经确定了，当插入元素的时候如果数组已经满了，是没办法插入成功的。这个时候就要考虑数组扩容的问题了，那么该如何实现扩容呢？

其实我们可以这样，比如此时的数组是A, A已经满了，我们再创建一个数组B且数组长度是A的2倍，然后我们将数组A的元素全部放到数组B中，这样就完成了数组扩容了。

数组扩容的代码如下:

/**
 * 数组扩容为原数组的二倍
 */
public void resize(){
 int[] newArray=new int[array.length*2];
 System.arraycopy(array,0,newArray,0,array.length);
 array=newArray;
}

4. 删除元素

删除元素和插入元素类似，如果我们删除第k个位置的数据，为了内存的连续性，同样会涉及数据的挪动。如下图所示：

删除元素的代码如下：

    /**
     * 根据数组下标删除元素
     *
     * @param index 数组下标
     * @return
     */
    public int delete(int index) {
        if (index < 0 || index > size) {
            throw new IndexOutOfBoundsException("已经超过数组容量 ! 插入失败！");
        }
        int deleteElement = array[index];
        // 从左到右，将元素向左移动一位
        for (int i = index; i < size - 1; i++) {
            array[i] = array[i + 1];
        }
        size--;
        return deleteElement;
    }

总结

数组是使用一块连续的内存空间，存储相同类型的一组数据，其最大的优点是数组支持随机访问，是因为数组可以通过数组下标(寻址公式)快速访问对应元素，时间复杂度为O(1)。

数组在删除元素和插入元素这两个操作比较低效，是因为数组为了保持数据的连续性，会涉及到数据的挪动，平均时间复杂度为O(N)。

故数组适合“读多写少” 的场景。