集合列表和数组

本文中介绍的概念为适用于所有编程语言的抽象理论，具体实现会由编程语言的不同而稍有差别。

具体介绍数组之前，我们先来了解一下集合、列表和数组的概念之间的差别。

集合

集合一般被定义为：由一个或多个确定的元素所构成的整体。

通俗来讲，集合就是将一组事物组合在一起。你可以将力扣的题库看作一个集合：

也可以将力扣商店里的礼品看作一个集合：

甚至可以将桌面上的物品当作一个集合。

集合有什么特性呢？

首先，集合里的元素类型不一定相同。 你可以将商品看作一个集合，也可以将整个商店看作一个集合，这个商店中有人或者其他物品也没有关系。

其次，集合里的元素没有顺序。 我们不会这样讲：我想要集合中的第三个元素，因为集合是没有顺序的。

事实上，这样的集合并不直接存在于编程语言中。然而，实际编程语言中的很多数据结构，就是在集合的基础上添加了一些规则形成的。

列表

列表（又称线性列表）的定义为：是一种数据项构成的有限序列，即按照一定的线性顺序，排列而成的数据项的集合。

列表的概念是在集合的特征上形成的，它具有顺序，且长度是可变的。你可以把它看作一张购物清单：

在这张清单中：

• 购物清单中的条目代表的类型可能不同，但是按照一定顺序进行了排列；
• 购物清单的长度是可变的，你可以向购物清单中增加、删除条目。

在编程语言中，列表最常见的表现形式有数组和链表，而我们熟悉的栈和队列则是两种特殊类型的列表。除此之外，向列表中添加、删除元素的具体实现方式会根据编程语言的不同而有所区分。

数组

数组是列表的实现方式之一，也是面试中经常涉及到的数据结构。

正如前面提到的，数组是列表的实现方式，它具有列表的特征，同时也具有自己的一些特征。然而，在具体的编程语言中，数组这个数据结构的实现方式具有一定差别。比如 C++ 和 Java 中，数组中的元素类型必须保持一致，而 Python 中则可以不同。Python 中的数组叫做 list，具有更多的高级功能。

那么如何从宏观上区分列表和数组呢？这里有一个重要的概念：索引。

首先，数组会用一些名为 索引 的数字来标识每项数据在数组中的位置，且在大多数编程语言中，索引是从 0 算起的。我们可以根据数组中的索引，快速访问数组中的元素。

而列表中没有索引，这是数组与列表最大的不同点。

其次，数组中的元素在内存中是连续存储的，且每个元素占用相同大小的内存。要理解这一点，我们需要了解数组在内存中的存储方式。

相反，列表中的元素在内存中可能彼此相邻，也可能不相邻。比如列表的另一种实现方式——链表，它的元素在内存中则不一定是连续的。

数组的操作

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。

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。

插入元素

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),N。

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。

原文链接：https://leetcode.cn/leetbook/read/array-and-string/yjcir/
来源：力扣（LeetCode）