数组
读取元素
读取数组中的元素,是通过访问索引的方式来读取的,索引一般从 0 开始。
在计算机中,内存可以看成一些已经排列好的格子,每个格子对应一个内存地址。一般情况下,数据会分散地存储在不同的格子中。
而对于数组,计算机会在内存中为其申请一段 连续 的空间,并且会记下索引为 0 处的内存地址。以数组 ["C", "O", "D", "E", "R"] 为例,它的各元素对应的索引及内存地址如下图所示。
假如我们想要访问索引为 2 处的元素 "D" 时,计算机会进行以下计算:
找到该数组的索引 0 的内存地址: 2008;
将内存地址加上索引值,作为目标元素的地址,即 2008 + 2 = 2010,对应的元素为 "D",这时便找到了目标元素。
我们知道,计算内存地址这个过程是很快的,而我们一旦知道了内存地址就可以立即访问到该元素,因此它的时间复杂度是常数级别,为 O(1)O(1)O(1)。
查找元素
假如我们对数组中包含哪些元素并不了解,只是想知道其中是否含有元素 "E",数组会如何查找元素 `"E" 呢?
与读取元素类似,由于我们只保存了索引为 0 处的内存地址,因此在查找元素时,只需从数组开头逐步向后查找就可以了。如果数组中的某个元素为目标元素,则停止查找;否则继续搜索直到到达数组的末尾。
我们发现,最坏情况下,搜索的元素为 "R",或者数组中不包含目标元素时,我们需要查找 n 次,n 为数组的长度,因此查找元素的时间复杂度为 O(N)O(N)O(N),NNN。
插入元素
假如我们想在原有的数组中再插入一个元素 "S" 呢?
如果要将该元素插入到数组的末尾,只需要一步。即计算机通过数组的长度和位置计算出即将插入元素的内存地址,然后将该元素插入到指定位置即可。
然而,如果要将该元素插入到数组中的其他位置,则会有所区别,这时我们首先需要为该元素所要插入的位置 腾出 空间,然后进行插入操作。比如,我们想要在索引 2 处插入 "S"。
我们发现,如果需要频繁地对数组元素进行插入操作,会造成时间的浪费。事实上,另一种数据结构,即链表可以有效解决这个问题,我们将在另外的卡片中进行学习。
删除元素
删除元素与插入元素的操作类似,当我们删除掉数组中的某个元素后,数组中会留下 空缺 的位置,而数组中的元素在内存中是连续的,这就使得后面的元素需对该位置进行 填补 操作。
以删除索引 1 中的元素 "O" 为例,具体过程如图所示。
当数组的长度为 n 时,最坏情况下,我们删除第一个元素,共需要的步骤数为 1 + (n - 1) = n 步,其中,1 为删除操作,n - 1 为移动其余元素的步骤数。删除操作具有线性时间复杂度,即时间复杂度为 O(N),N 为数组的长度。