web開發(fā)中為什么很多語言的數(shù)組下標(biāo)是從0開始的

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數(shù)組的隨機(jī)訪問

盡管大家都知道了什么是數(shù)組，但是還是用官方的術(shù)語描述一下：數(shù)組（Array）是一種線性表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。它用一組連續(xù)的內(nèi)存空間，來存儲(chǔ)一組具有相同類型的數(shù)據(jù)。

我們可以抓住里面的幾個(gè)重點(diǎn)詞匯，來充分理解數(shù)組這種結(jié)構(gòu)。 

1、線性表，就是數(shù)據(jù)的排列從前到后順序排列，就像一條線，像隊(duì)列、棧列表、數(shù)組等都是線性表結(jié)構(gòu)。 

當(dāng)然有線性表結(jié)構(gòu)就有非線性表結(jié)構(gòu)：

2、連續(xù)內(nèi)存空間和相同的數(shù)據(jù)類型。為啥數(shù)據(jù)訪問一個(gè)數(shù)據(jù)效率非常高？那是因?yàn)閿?shù)組的定義將數(shù)組這種結(jié)構(gòu)定好了規(guī)矩，線性連續(xù)給了我們快速隨機(jī)訪問的機(jī)會(huì)。但是同時(shí)也帶來了不好的地方，如果我們向其中插入或者刪除一條數(shù)據(jù)是比較費(fèi)勁的。 

來看看數(shù)組是怎么實(shí)現(xiàn)隨機(jī)訪問的？ 

假設(shè)有這么一個(gè)數(shù)組：
java int[] a = new int[10]; 
操作系統(tǒng)給分配了一塊連續(xù)的內(nèi)存空間，假設(shè)為1000~1039，那么內(nèi)存的首地址就是base_add = 1000

如果你去走訪親戚，你需要知道的是什么？親戚家的地址吧（具體到門牌號(hào)），內(nèi)存也一樣，我們想讀取內(nèi)存里面的數(shù)據(jù)，操作系統(tǒng)也是通過內(nèi)存的地址來訪問的，那么問題來了，內(nèi)存的地址是怎么知道呢？ 

這就涉及到操作系統(tǒng)的尋址，比如我想獲取a[2]的值，那么操作系統(tǒng)先會(huì)根據(jù)下面的公式計(jì)算對(duì)應(yīng)內(nèi)存的地址：

 a[2]的地址 = base_add + 2 * data_unit_size 

dataunitsize表示該數(shù)據(jù)類型每個(gè)元素的大小，當(dāng)前是int類型為4個(gè)字節(jié)，所以算出來a[2]的地址就是1008 

那是不是可以說數(shù)組的查找的時(shí)間復(fù)雜度就是O(1)？當(dāng)然不是了，正常情況下我們查找數(shù)可不是通過下標(biāo)來查找的，我們是通過值來查找的，即便是二分查找時(shí)間復(fù)雜度也是O(logn)。 

刪除和插入怎么就低效了

1、插入操作
假設(shè)我們要在長(zhǎng)度為n的數(shù)組的第k個(gè)位置插入一個(gè)數(shù)據(jù)，我們就要講第k~n的數(shù)往后挪，同理如果在最后插入就不需要挪位置，如果在第一個(gè)位置插入就要挪n個(gè)數(shù)，所以平均時(shí)間復(fù)雜度就是：（1+2+3+...+n)/n=O(n)

當(dāng)然，如果不要求插入后順序還保持原來一樣，有個(gè)討巧的插入方法就是講第K個(gè)元素放到最后，將待插入的數(shù)放到第K個(gè)位置。 

舉個(gè)例子，假設(shè)數(shù)組 a[10]中存儲(chǔ)了如下 5 個(gè)元素：a，b，c，d，e。 

我們現(xiàn)在需要將元素 x 插入到第 3 個(gè)位置。我們只需要將 c 放入到 a[5]，將 a[2]賦值為 x 即可。最后，數(shù)組中的元素如下：a，b，x，d，e，c。

2、刪除操作. 

其實(shí)和插入操作是相似的，當(dāng)我們對(duì)長(zhǎng)度為n的數(shù)組的第K個(gè)數(shù)組進(jìn)行刪除時(shí)，需要對(duì)后面的數(shù)據(jù)進(jìn)行向前搬移操作，同理，時(shí)間復(fù)雜度和插入一樣也是O(n)，這里就不詳細(xì)介紹了。

當(dāng)然，在不考慮維持連續(xù)性的特殊情況下，為了提高刪除的效率，沒必要每次刪除立即進(jìn)行搬移操作，不然如果連續(xù)刪除數(shù)據(jù)，就要連續(xù)進(jìn)行多次的搬移。比較討巧的辦法是將待刪除的元素進(jìn)行標(biāo)記，實(shí)際未做刪除，等等內(nèi)存不足的時(shí)候，將這些標(biāo)記的數(shù)據(jù)統(tǒng)一進(jìn)行刪除操作。這樣就會(huì)大大減少刪除操作帶來的大量數(shù)據(jù)搬移操作。 

災(zāi)難！數(shù)組越界啦

對(duì)于Java來說發(fā)生數(shù)據(jù)越界的時(shí)候會(huì)拋出異常，但是對(duì)于有些語言比如C語言發(fā)生數(shù)組越界的時(shí)候并不會(huì)給你異常提示，比如下面這段代碼： 

int i = 0; int arr[3] = {0};for(;i<=3;i++) {  arr[i] = 0;  System.out.println("test");  }

顯然定義的是長(zhǎng)度為3的數(shù)組，但是循環(huán)條件是<=，所以會(huì)訪問到數(shù)組外面的內(nèi)存，而a[3]的地址剛好是存儲(chǔ)i的內(nèi)存，所以當(dāng)循環(huán)到a[3]時(shí)又賦值為0，相當(dāng)于i=0;所以這個(gè)循環(huán)永遠(yuǎn)結(jié)束不了，“hello world”會(huì)一直打印。 

所以，對(duì)于C語言來說，如果沒控制好下標(biāo)，發(fā)生數(shù)組越界會(huì)出現(xiàn)莫名其妙的邏輯問題，還很難調(diào)試。這也是很多病毒利用數(shù)組越界來非法訪問內(nèi)存來攻擊系統(tǒng)。 

各種容器滿天飛，還需要數(shù)組？

對(duì)于Java開發(fā)者來說，ArrayList再熟悉不過了，它為我們封裝好了各種API來操作，比使用數(shù)組方便的多，而且是支持動(dòng)態(tài)擴(kuò)容的，因?yàn)閿?shù)組是要提前訂好大小的，當(dāng)大小不滿足的時(shí)候，需要重新定義大的數(shù)組進(jìn)行復(fù)制操作，這顯然很不方便，而容器類是內(nèi)部有動(dòng)態(tài)的分配的機(jī)制，當(dāng)大小不夠的時(shí)候自動(dòng)的擴(kuò)容，當(dāng)然這也是非常耗性能的。如果能確定數(shù)據(jù)的大小，提前指定容器的大小更好。 

那是不是意味著數(shù)組沒有存在的必要，那也不是的，比如在下面的情況： 

• ArrayList是不能存儲(chǔ)基本數(shù)據(jù)類型的，需要使用他們對(duì)應(yīng)的裝箱類，而拆箱和裝箱顯然都是非常耗性能的，如果特別關(guān)注性能，又需要使用基本數(shù)據(jù)類型，使用數(shù)組比使用ArrayList性能更好

• 定義多維數(shù)組時(shí)，使用數(shù)組更加的直觀

• 如果數(shù)據(jù)大小事先知道，而對(duì)數(shù)據(jù)的操作比較簡(jiǎn)單。用不到ArrayList的大多API，這時(shí)候可以優(yōu)先使用數(shù)組

小結(jié)：對(duì)于上層業(yè)務(wù)開發(fā)者，由于業(yè)務(wù)變化大，操作數(shù)據(jù)變化頻繁，使用容器更加方便，犧牲一點(diǎn)性能對(duì)系統(tǒng)的整體功能影響不大。但是如果是做比較偏底層的開發(fā)就需要關(guān)注性能了，性能一丁點(diǎn)的提升，影響也是很廣泛的，所以選擇數(shù)組比較合適。

回到主題

為什么數(shù)組從0開始呢？
從數(shù)組存儲(chǔ)的內(nèi)存模型來看，下標(biāo)比較確切的定義是“偏移”，如果用a來表示數(shù)組的首地址，那么a[0]就表示偏移為0的位置。a[x]就表示偏移x個(gè)類型大?。╥nt 4個(gè)字節(jié)）的的位置。java a[x]_address = base_address + x * data_type_size;

但是如果從1開始計(jì)數(shù)呢，那么尋址公式就變成：
java a[x]_address = base_address + (x-1) * data_type_size;  
顯然要多運(yùn)算減一的操作，對(duì)于數(shù)組數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的定義是偏基礎(chǔ)庫的，對(duì)于性能要求當(dāng)然是要追求極致的，多一步和少一步運(yùn)算都是非常重要的參考點(diǎn)，所以為了更好的性能選擇從0開始而不是從1開始。 

當(dāng)然也有歷史因素，因?yàn)樽钤绲腃語言設(shè)計(jì)者使用從0開始的，所以后面的語言都延續(xù)了這一做法，這樣能減少程序員學(xué)習(xí)語言的成本。當(dāng)然也有一些不是從0開始的語言，這里就不舉例了，感興趣的同學(xué)可以自行去搜索一下。 

感謝各位的閱讀，以上就是“web開發(fā)中為什么很多語言的數(shù)組下標(biāo)是從0開始的”的內(nèi)容了，經(jīng)過本文的學(xué)習(xí)后，相信大家對(duì)web開發(fā)中為什么很多語言的數(shù)組下標(biāo)是從0開始的這一問題有了更深刻的體會(huì)，具體使用情況還需要大家實(shí)踐驗(yàn)證。這里是創(chuàng)新互聯(lián)，小編將為大家推送更多相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的文章，歡迎關(guān)注！

網(wǎng)站標(biāo)題：web開發(fā)中為什么很多語言的數(shù)組下標(biāo)是從0開始的
文章起源：http://bm7419.com/article16/jdsedg.html

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