如何实现随机访问？

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，来存储一组具有相同类型的数据。

线性表

线性表（Linear List），顾名思义，线性表就是数据排成像一条线一样的结构。每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，比如二叉树、堆、图等。之所以叫非线性，是因为，在非线性表中，数据之间并不是简单的前后关系。

连续的内存空间和相同类型的数据

数组支持随机访问，根据下标随机访问的时间复杂度为 O(1)。

低效的“插入”和“删除”

插入操作：

数组有序：

• 如果在数组的末尾插入元素，需要移动数据，时间复杂度为 O(1)。
• 如果在数组的开头插入元素，所有的数据都需要依次往后移动一位，最坏时间复杂度是 O(n)。

数组无序：

• 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。

删除操作：

跟插入数据类似，如果我们要删除第 k 个位置的数据，为了内存的连续性，也需要搬移数据。

• 如果删除数组末尾的数据，则最好情况时间复杂度为 O(1)；
• 如果删除开头的数据，则最坏情况时间复杂度为 O(n)；
• 平均情况时间复杂度也为 O(n)。

实际上，在某些特殊场景下，我们并不一定非得追求数组中数据的连续性。如果我们将多次删除操作集中在一起执行，删除的效率是不是会提高很多呢？

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

为了避免 d，e，f，g，h 这几个数据会被搬移三次，我们可以先记录下已经删除的数据。每次的删除操作并不是真正地搬移数据，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，我们再触发执行一次真正的删除操作，这样就大大减少了删除操作导致的数据搬移。

如果你了解 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吗？没错，数据结构和算法的魅力就在于此，很多时候我们并不是要去死记硬背某个数据结构或者算法，而是要学习它背后的思想和处理技巧，这些东西才是最有价值的。

警惕数组的访问越界问题

在 C 语言中，只要不是访问受限的内存，所有的内存空间都是可以自由访问的。

访问数组的本质就是访问一段连续内存，只要数组通过偏移计算得到的内存地址是可用的，那么程序就可能不会报任何错误。这种情况下，一般都会出现莫名其妙的逻辑错误。

Java会做越界检查，抛出 java.lang.ArrayIndexOutOfBoundsException。

容器能否完全替代数组？

ArrayList的优势：

1. 就是可以将很多数组操作的细节封装起来，如数组插入、删除数据时的数据搬移操作。
2. 支持动态扩容
   1. 存储空间不够的时候，空间自动扩容为 1.5 倍大小。
   2. 扩容操作涉及内存申请和数据搬移，比较耗时，如果能事先确定数据大小，最好创建时指定。

以下情况用数组会更合适些：

1. 存储基本类型。比如 int、long，需要封装为 Integer、Long 类；而拆箱、装箱有一定的性能消耗，所以如果特别关注性能，就可以选用数组。
2. 数据大小事先已知，数据操作非常简单，用不到ArrayList提供的大部分方法，也可以直接使用数组。
3. 多维数组。

总结一下，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，完全不会影响到系统整体的性能。但如果你是做一些非常底层的开发，比如开发网络框架，性能的优化需要做到极致，这个时候数组就会优于容器，成为首选。

解答开篇

为什么大多数编程语言中，数组要从 0 开始编号，而不是从 1 开始呢？

答：

1. 减少内存寻址运算。

   1. “下标”最确切的定义应该是“偏移”

   2. 如果下标为0，a[k]的内存地址计算公式为：

      a[k]_address = base_address + k * type_size

   3. 如果下标为1，a[k]的内存地址计算公式为：

      a[k]_address = base_address +(k-1)*type_size

   4. 如果从1开始编号，每次随机访问数组元素都多了一次减法运算。

2. 历史原因。

   1. C 语言设计者用 0 开始计数数组下标，之后的 Java、JavaScript 等高级语言都效仿了 C 语言。
   2. 在一定程度上减少 C 语言程序员学习 Java 的学习成本。