线性表结构：数组

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，来存储一组具备相同类型的数据。对于数组，你要掌握两个关键点。

1. 线性表

线性表就是数据排成像一条线同样的结构。每一个线性表上的数据最多只有前和后两个方向。其实除了数组，链表、队列、栈等也是线性表结构。

而与它相对立的概念是非线性表，好比二叉树、堆、图等。之因此叫非线性，是由于，在非线性表中，数据之间并非简单的先后关系。好比说下面树形结构中的D节点就有三个方向的数据。

2. 连续的内存空间和相同类型的数据

数组的存储空间是连续的，并且必须存储相同类型的数据。正是由于这两个限制，它才有了一个堪称“杀手锏”的特性：“随机访问”。但有利就有弊，这两个限制也让数组的不少操做变得很是低效，好比要想在数组中删除、插入一个数据，为了保证连续性，就须要作大量的数据搬移工做。

这边解释下随机访问的含义。随机访问是指经过元素的下标能立马定位到元素在数组中的位置，随机查找的时间复杂度为O(1)。
有的人可能把在数组中查找元素和随机访问搞混了。在数组中查找元素必须进行数组遍历，时间复杂度是O(n)，即便是排序的数组，经过二分查找，时间复杂度是O(logn)。

低效的“插入”和“删除”

1. 插入操做

假设数组的长度为 n，如今，若是咱们须要将一个数据插入到数组中的第 k 个位置。为了把第 k 个位置腾出来，给新来的数据，咱们须要将第 k～n 这部分的元素都顺序地日后挪一位。这个操做的时间复杂度是O(n)。

若是数组中的数据是有序的，咱们在某个位置插入一个新的元素时，就必须按照刚才的方法搬移 k 以后的数据。可是，若是数组中存储的数据并无任何规律，数组只是被看成一个存储数据的集合。在这种状况下，若是要将某个数据插入到第 k 个位置，为了不大规模的数据搬移，咱们还有一个简单的办法就是，直接将第 k 位的数据搬移到数组元素的最后，把新的元素直接放入第 k 个位置。

为了更好地理解，咱们举一个例子。假设数组 a[10]中存储了以下 5 个元素：a，b，c，d，e。咱们如今须要将元素 x 插入到第 3 个位置。咱们只须要将 c 放入到 a[5]，将 a[2]赋值为 x 便可。最后，数组中的元素以下： a，b，x，d，e，c。

利用这种处理技巧，在特定场景下，在第 k 个位置插入一个元素的时间复杂度就会降为 O(1)。（直接将指定位置的元素放到数组最后一位后面array[array.length]=k）

2. 删除操做
跟插入数据相似，若是咱们要删除第 k 个位置的数据，为了内存的连续性，也须要搬移数据，否则中间就会出现空洞，内存就不连续了。删除操做的时间复杂度也是O(n)。

实际上，在某些特殊场景下，咱们并不必定非得追求数组中数据的连续性。若是咱们将屡次删除操做集中在一块儿执行，删除的效率是否是会提升不少呢？

咱们继续来看例子。数组 a[10]中存储了 8 个元素：a，b，c，d，e，f，g，h。如今，咱们要依次删除 a，b，c 三个元素。

为了不 d，e，f，g，h 这几个数据会被搬移三次，咱们能够先记录下已经删除的数据。每次的删除操做并非真正地搬移数据，只是记录数据已经被删除。当数组没有更多空间存储数据时，咱们再触发执行一次真正的删除操做，这样就大大减小了删除操做致使的数据搬移。

若是你了解 JVM，你会发现，这不就是 JVM 标记清除垃圾回收算法的核心思想。

关于数组使用的几个注意点

• 当心数组越界访问（通常在数组的长度范围内访问数组元素是没什么问题的）；
• 当心数组元素为空，数组某个下标位置上的值多是空的，若是不作判断的话可能会发生空指针异常。

怎么实现数组这种数据结构

数组是每一个编程语言都会直接提供的数据结构。并且不少语言提供了更高级的容器实现，好比Java中的ArrayList。ArrayList 最大的优点就是能够将不少数组操做的细节封装起来。好比前面提到的数组插入、删除数据时须要搬移其余数据等。另外，它还有一个优点，就是支持动态扩容。

数组自己在定义的时候须要预先指定大小，由于须要分配连续的内存空间。若是咱们申请了大小为 10 的数组，当第 11 个数据须要存储到数组中时，咱们就须要从新分配一块更大的空间，将原来的数据复制过去，而后再将新的数据插入。

若是使用 ArrayList，咱们就彻底不须要关心底层的扩容逻辑，ArrayList 已经帮咱们实现好了。每次存储空间不够的时候，它都会将空间自动扩容为 1.5 倍大小。

不过，这里须要注意一点，由于扩容操做涉及内存申请和数据搬移，是比较耗时的。因此，若是事先能肯定须要存储的数据大小，最好在建立 ArrayList 的时候事先指定数据大小。

做为高级语言编程者，是否是数组就无用武之地了呢？固然不是，有些时候，用数组会更合适些，我总结了几点本身的经验：

• Java ArrayList 没法存储基本类型，好比 int、long，须要封装为 Integer、Long 类，而 Autoboxing、Unboxing 则有必定的性能消耗，因此若是特别关注性能，或者但愿使用基本类型，就能够选用数组。
• 若是数据大小事先已知，而且对数据的操做很是简单，用不到 ArrayList 提供的大部分方法，也能够直接使用数组；
• 还有一个是我我的的喜爱，当要表示多维数组时，用数组每每会更加直观。好比 Object[][] array；而用容器的话则须要这样定义：ArrayList > array；

对于业务开发，直接使用容器就足够了，省时省力。毕竟损耗一丢丢性能，彻底不会影响到系统总体的性能。但若是你是作一些很是底层的开发，好比开发网络框架，性能的优化须要作到极致，这个时候数组就会优于容器，成为首选。

有趣的知识点

数组的下标为何从0开始？

其实数组的下标更确切的表述是相对于首地址的偏移量，这样更容易寻址。

从数组存储的内存模型上来看，“下标”最确切的定义应该是“偏移（offset）”。前面也讲到，若是用 a 来表示数组的首地址，a[0]就是偏移为 0 的位置，也就是首地址，a[k]就表示偏移 k 个 type_size 的位置，因此计算 a[k]的内存地址只须要用这个公式： a[k]_address = base_address + k * type_size 可是，若是数组从 1 开始计数，那咱们计算数组元素 a[k]的内存地址就会变为： a[k]_address = base_address + (k-1)*type_size

一些网友留言

1. 数组的一些其余应用

数组的应用真的不少，好比redis的内部实现，压缩链表，快速链表，还有后来搞出一个紧凑列表来替代压缩列表。并且不少自定义协议都是用数组作的，好比rocketmq的协议，前面几位表明什么，后面几位表明什么。

2. 标记清除法

标记清除具体步骤以下：

• 开始标记并程序暂停（stop the world）；
• 找到全部可达对象，并作上标记;
• 标记完成后开始清除未标记的对象;
• 清除完成;

其实全部的垃圾收集算法均可以分为：标记阶段和收集阶段。只是不一样的垃圾回收机制在这两个阶段使用的算法不同。

标记清除法带来的问题

• STW (stop the world) 标记对象的时候程序须要暂停，致使程序出现卡顿，若是常常进行STW操做，程序性能将大幅降低；
• 标记须要扫描整个堆；
• 清除对象会产生堆碎片。

STW指的是JVM把全部线程都暂停了，这样全部的对象都不会被修改，这个时候去扫描是绝对安全的。

3. 画图软件推荐

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4.分代收集法 分代收集算法（针对JDK1.8如下）： 根据对象的存活周期分为老年代，新生代，永久代 a、在新生代中，每次GC时都发现有大批对象死去，只有少许存活，使用复制算法。即在垃圾回收时，将正在使用的内存中存活对象复制到另外一块未使用的内存中。以后清理正在使用的内存中全部对象，交换两块内存角色。反复进行，完成垃圾回收。 b、在老年代中，由于对象存活率高、没有额外空间对他进行分配担保，使用“标记-清理”/“标记-整理”算法。即在标记阶段，遍历全部的GC Roots，而后将全部GC Roots可达的对象标记为存活的对象。清除阶段，清除的过程将遍历堆中全部的对象，将没有标记的对象所有清除掉。 c、永久代（Permanet Generation）/ 元空间（Metaspace） 永久代用于存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译后的代码等数据。是JVM规范中方法区的具体实现。 是Hotspot虚拟机特有的概念，方法区/永久代是非堆内存。