Массив

Массив в информатике — это тип данных, в котором хранится упорядоченный набор однотипных элементов. Массивы есть в большинстве языков программирования и нужны для удобного хранения нескольких значений и быстрой работы с ними.

Структуру данных можно сравнить с набором пронумерованных коробок, в каждой из которых находится какой-то предмет. Этот предмет — элемент массива, а номер на коробке — индекс элемента, порядковый номер, по которому его можно найти.

В некоторых языках программирования у массивов есть альтернативные названия, например, ряд, матрица или вектор. Структура данных действительно похожа на эти математические понятия: они тоже представляют собой непрерывный набор элементов с четко зафиксированной позицией.

Кому и для чего нужны массивы

Массивами пользуются практически все программисты. Они нужны в ситуациях, когда необходимо работать с однотипным набором данных, например последовательностью чисел, объектов или строк.

Массив помогает:

• хранить несколько однотипных значений внутри одной переменной;
• структурировать и упорядочивать информацию;
• легко получать доступ к каждому элементу;
• быстро применять одинаковые действия ко всем элементам массива;
• экономить память и поддерживать высокую скорость выполнения действий.

Кроме того, это просто удобнее, чем «класть» несколько похожих элементов в разные переменные. Массивы — одна из базовых структур в программировании, и без них писать код было бы куда сложнее.

Как устроен массив

Технически массив — это переменная, которая включает в себя несколько значений, своеобразный контейнер. Элементы массива обычно имеют одинаковый тип, например, это все числа или строки. Расположены элементы в соседних ячейках памяти, поэтому перебор элементов или другие действия с ними выполняются довольно быстро. Время доступа к каждому элементу фиксировано, а получить ссылку на любой из них легко благодаря индексам.

У классического статического массива фиксированная длина, то есть количество элементов. Она задается при создании переменной: разработчик сразу пишет в описании массива, сколько элементов он будет хранить. Если выйти за пределы этого диапазона и, например, попытаться присвоить значение шестому элементу массива из пяти элементов, возникнет ошибка.

Индексы в стандартном массиве могут быть только целыми числами, которые идут по порядку: 0, 1, 2 и так далее. В большинстве языков программирования индексация начинается с нуля.

Что можно делать с элементами массива

Одно из достоинств использования массива — гибкость и легкость работы с данными. Элементам можно задавать разные значения, а потом менять их или обнулять. Можно обращаться к элементам по индексу. Например, array[5] — это обращение к пятому элементу массива под названием array.

С элементами по отдельности можно делать то же, что с обычными переменными: проводить разнообразные операции, выводить на экран или в файл, использовать внутри формул и так далее. В большинстве языков также есть операции и методы, которые применяются ко всем элементам массива: так можно написать одну строчку и модифицировать весь массив.

Есть и другие особые функции. Например, в некоторых языках можно преобразовать в массив строку или переменную другого типа. Бывают отдельные команды для обращения к первому и последнему элементам массива, для их удаления или модификации, для получения длины массива и так далее.

Конкретная реализация и набор функций зависят от языка программирования. В разных языках работа с массивами может различаться, но суть структуры данных остается прежней.

Какими бывают массивы

Одномерными и многомерными. Классический массив — одномерный, то есть выглядит как ряд элементов. Но массив может быть и многомерным, чаще всего двумерным: тогда он состоит из нескольких рядов, расположенных друг под другом. У двумерного массива два индекса: один определяет ряд, второй — положение элемента в этом ряде. Это похоже на математическую матрицу или на двумерную систему координат.

Иногда двумерные массивы реализуют как «массив в массиве», в других случаях для них есть отдельный способ описания — тут все зависит от языка, фреймворка и других используемых технологий.

Трехмерные массивы и структуры с большей размерностью используют крайне редко.

Статическими и динамическими. Статический массив — классическая реализация этой структуры данных. У него фиксированное количество элементов, которое задается при создании и остается неизменным все время его существования. Но это не всегда удобно, поэтому существуют также динамические массивы.

У динамических массивов «гибкая» длина, которая автоматически увеличивается или уменьшается, когда в структуру данных добавляют или удаляют элемент. Это удобнее для разработчиков и экономит память: не приходится хранить множество «пустых» элементов, как в статическом массиве, у которого задействована не вся длина.

Внутри динамические массивы чаще всего устроены как статические, которые пересоздаются, когда изменяется длина. При этом «шаг» пересоздания — не один элемент, а больше, то есть длина увеличивается сразу, скажем, на пять элементов, а не на один. Это нужно, чтобы не слишком перегружать программу постоянными пересозданиями массива.

Однородными и гетерогенными. Опять же классический массив — однородный, то есть в нем находятся элементы только одного типа. Но некоторые языки поддерживают гетерогенные массивы, где могут храниться разнотипные элементы: например, число, потом строка, а потом объект.

Такая возможность может быть удобной, но с ней нужно быть аккуратнее, потому что она в теории увеличивает риск ошибки со стороны программиста. Например, он попытается сложить элементы как числа, а один из них окажется строкой. Возникнет ошибка или программа начнет вести себя непредсказуемо.

Ассоциативными. Ассоциативные массивы — особый подвид структуры данных, в котором индексы не обязательно являются упорядоченными целыми числами. Это набор данных в формате «ключ — значение», где ключ — аналог индекса, а значение — аналог элемента.

Ассоциативный массив может называться по-разному: в Python, к примеру, его называют словарем. Структура данных действительно похожа на словарь, где ключ — слово, а значение — его описание. Второй наглядный пример — телефонный справочник, где сведения приведены в формате «ФИО — номер телефона».

Часто ассоциативные массивы бывают гетерогенными и динамическими, но это опять же зависит от языка программирования.

Структуры данных, похожие на массивы

Массив — не единственная структура данных, хранящая несколько элементов. Еще существуют так называемые кучи и множества, где информация не пронумерована, стеки, где доступ возможен только к первому элементу, и очереди — там можно получить доступ только к последнему элементу. Также есть связные списки, графы и деревья — в этих структурах данных элементы особым образом связаны между собой ссылками.

Какую именно структуру выбрать для хранения конкретного набора значений, зависит от задачи. Значение имеют скорость доступа, удобство работы и другие критерии.

Вы можете узнать о хранении данных больше на курсах по программированию — получите новую профессию и станьте востребованным IT-специалистом.