陣列

4.1 陣列的定義及其特性

陣列是種資料結構，代表 有序的相同類型元素集合，這些元素在記憶體中是連續的。每個陣列元素都有一個唯一的索引，用於訪問該元素。

這裡展示了簡單的大小為 4 的陣列，它包含元素 (1, 2, 3 和 4)。

陣列的特性：

• 固定大小： 陣列的大小在創建時設定，在程式執行過程中不能更改。
• 元素同質性： 所有陣列中的元素必須為同一類型（例如，整數、字串）。
• 記憶體中的連續佈局： 陣列的元素存儲在相鄰的記憶體單元中，這保證了快速的索引訪問。
• 索引的快速訪問： 訪問任何陣列元素只需常數時間 O(1)。

4.2 使用陣列的例子

讓我們看看你可能已經知道的陣列使用例子：

存儲固定長度的資料

星期幾，幾月：

# 創建一個包含星期的陣列
days_of_week = ["Monday", "Tuesday", "Wednesday", "Thursday", "Friday", "Saturday", "Sunday"]
print(days_of_week[2])  # 輸出: Wednesday

矩陣和多維陣列

3x3 矩陣：

# 創建 3x3 矩陣
matrix = [
    [1, 2, 3],
    [4, 5, 6],
    [7, 8, 9]
]
print(matrix[1][1])  # 輸出: 5

在排序算法中的使用

排序數字陣列：

# 排序數字陣列
numbers = [5, 2, 9, 1, 5, 6]
numbers.sort()  # 排序陣列
print(numbers)  # 輸出: [1, 2, 5, 5, 6, 9]

用於存儲暫時資料的緩衝區

從文件讀取的資料緩衝區：

# 創建 1024 字節大小的緩衝區
buffer = [0] * 1024
print(len(buffer))  # 輸出: 1024

4.3 陣列的基本操作

重要！Python 裡的 list 類是動態陣列，它可以在運行過程中改變自己的大小。關於動態陣列的更多信息會在之後的課程中提到。

基本操作：索引訪問、插入、刪除

索引訪問

通過索引訪問陣列元素，索引指向元素的位置。

# 透過索引訪問陣列元素
arr = [10, 20, 30, 40, 50]
print(arr[2])  # 輸出: 30
print(arr[-1])  # 輸出: 50 (最後一個元素)

插入

插入元素到陣列中可能需要移動後續所有元素，以便為新元素提供空間。

例子（插入元素到陣列中間）：

# 插入元素到陣列
arr = [10, 20, 30, 40, 50]
arr.insert(2, 25)  # 在位置 2 插入 25
print(arr)  # 輸出: [10, 20, 25, 30, 40, 50]

刪除

從陣列刪除元素可能需要移動後續所有元素，以填補空出的位置。

例子（刪除元素）：

# 從陣列刪除元素
arr = [10, 20, 30, 40, 50]
arr.pop(2)  # 刪除位置 2 的元素
print(arr)  # 輸出: [10, 20, 40, 50]

4.4 使用陣列的優缺點

讓我們考慮使用陣列的優點和缺點：

優點：

• 索引的快速訪問： 訪問任何陣列元素只需常數時間 O(1)，所以陣列在讀取資料時非常高效。
• 簡單易用： 陣列容易理解和使用，並且容易在不同的任務中實現和應用。
• 低開銷： 陣列比起更複雜的資料結構（像是鏈結串列）佔用更少的記憶體。

缺點：

• 固定大小： 陣列的大小在創建時設定，不能更改。這意味著需要提前知道所需的陣列大小，或者使用可以隨需求增長的動態陣列。
• 插入和刪除的開銷： 插入和刪除元素可能需要花費時間，因為需要移動元素。最糟情況下，在中間插入或刪除元素需要 O(n) 的時間。
• 非最佳記憶體使用： 如果陣列未完全使用，剩餘的記憶體單元未被填充，可能導致非最佳的記憶體使用。