docs/chapter_array_and_linkedlist/array.md
<u>数组（array）</u>是一种线性数据结构，其将相同类型的元素存储在连续的内存空间中。我们将元素在数组中的位置称为该元素的<u>索引（index）</u>。下图展示了数组的主要概念和存储方式。
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 $0$ ：
=== "Python"
```python title="array.py"
# 初始化数组
arr: list[int] = [0] * 5 # [ 0, 0, 0, 0, 0 ]
nums: list[int] = [1, 3, 2, 5, 4]
```
=== "C++"
```cpp title="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 };
```
=== "Java"
```java title="array.java"
/* 初始化数组 */
int[] arr = new int[5]; // { 0, 0, 0, 0, 0 }
int[] nums = { 1, 3, 2, 5, 4 };
```
=== "C#"
```csharp title="array.cs"
/* 初始化数组 */
int[] arr = new int[5]; // [ 0, 0, 0, 0, 0 ]
int[] nums = [1, 3, 2, 5, 4];
```
=== "Go"
```go title="array.go"
/* 初始化数组 */
var arr [5]int
// 在 Go 中，指定长度时（[5]int）为数组，不指定长度时（[]int）为切片
// 由于 Go 的数组被设计为在编译期确定长度，因此只能使用常量来指定长度
// 为了方便实现扩容 extend() 方法，以下将切片（Slice）看作数组（Array）
nums := []int{1, 3, 2, 5, 4}
```
=== "Swift"
```swift title="array.swift"
/* 初始化数组 */
let arr = Array(repeating: 0, count: 5) // [0, 0, 0, 0, 0]
let nums = [1, 3, 2, 5, 4]
```
=== "JS"
```javascript title="array.js"
/* 初始化数组 */
var arr = new Array(5).fill(0);
var nums = [1, 3, 2, 5, 4];
```
=== "TS"
```typescript title="array.ts"
/* 初始化数组 */
let arr: number[] = new Array(5).fill(0);
let nums: number[] = [1, 3, 2, 5, 4];
```
=== "Dart"
```dart title="array.dart"
/* 初始化数组 */
List<int> arr = List.filled(5, 0); // [0, 0, 0, 0, 0]
List<int> nums = [1, 3, 2, 5, 4];
```
=== "Rust"
```rust title="array.rs"
/* 初始化数组 */
let arr: [i32; 5] = [0; 5]; // [0, 0, 0, 0, 0]
let slice: &[i32] = &[0; 5];
// 在 Rust 中，指定长度时（[i32; 5]）为数组，不指定长度时（&[i32]）为切片
// 由于 Rust 的数组被设计为在编译期确定长度，因此只能使用常量来指定长度
// Vector 是 Rust 一般情况下用作动态数组的类型
// 为了方便实现扩容 extend() 方法，以下将 vector 看作数组（array）
let nums: Vec<i32> = vec![1, 3, 2, 5, 4];
```
=== "C"
```c title="array.c"
/* 初始化数组 */
int arr[5] = { 0 }; // { 0, 0, 0, 0, 0 }
int nums[5] = { 1, 3, 2, 5, 4 };
```
=== "Kotlin"
```kotlin title="array.kt"
/* 初始化数组 */
var arr = IntArray(5) // { 0, 0, 0, 0, 0 }
var nums = intArrayOf(1, 3, 2, 5, 4)
```
=== "Ruby"
```ruby title="array.rb"
# 初始化数组
arr = Array.new(5, 0)
nums = [1, 3, 2, 5, 4]
```
??? pythontutor "可视化运行"
https://pythontutor.com/render.html#code=%23%20%E5%88%9D%E5%A7%8B%E5%8C%96%E6%95%B0%E7%BB%84%0Aarr%20%3D%20%5B0%5D%20*%205%20%20%23%20%5B%200,%200,%200,%200,%200%20%5D%0Anums%20%3D%20%5B1,%203,%202,%205,%204%5D&cumulative=false&curInstr=0&heapPrimitives=nevernest&mode=display&origin=opt-frontend.js&py=311&rawInputLstJSON=%5B%5D&textReferences=false
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。
观察上图，我们发现数组首个元素的索引为 $0$ ，这似乎有些反直觉，因为从 $1$ 开始计数会更自然。但从地址计算公式的角度看，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 $0$ 是合理的。
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。
[file]{array}-[class]{}-[func]{random_access}
数组元素在内存中是“紧挨着的”，它们之间没有空间再存放任何数据。如下图所示，如果想在数组中间插入一个元素，则需要将该元素之后的所有元素都向后移动一位，之后再把元素赋值给该索引。
值得注意的是，由于数组的长度是固定的，因此插入一个元素必定会导致数组尾部元素“丢失”。我们将这个问题的解决方案留在“列表”章节中讨论。
[file]{array}-[class]{}-[func]{insert}
同理，如下图所示，若想删除索引 $i$ 处的元素，则需要把索引 $i$ 之后的元素都向前移动一位。
请注意，删除元素完成后，原先末尾的元素变得“无意义”了，所以我们无须特意去修改它。
[file]{array}-[class]{}-[func]{remove}
总的来看，数组的插入与删除操作有以下缺点。
在大多数编程语言中，我们既可以通过索引遍历数组，也可以直接遍历获取数组中的每个元素：
[file]{array}-[class]{}-[func]{traverse}
在数组中查找指定元素需要遍历数组，每轮判断元素值是否匹配，若匹配则输出对应索引。
因为数组是线性数据结构，所以上述查找操作被称为“线性查找”。
[file]{array}-[class]{}-[func]{find}
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。代码如下所示：
[file]{array}-[class]{}-[func]{extend}
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。
连续空间存储是一把双刃剑，其存在以下局限性。
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。