Динамический массив: взаимодействие и проблемы

О чем речь? Динамический массив – тип структуры данных, размер которого определяется в процессе реализации кода, а не на этапе написания. Таким образом программисту не нужно заранее определять объем необходимой памяти.

На что обратить внимание? Использовать динамические массивы можно не в каждом языке программирования, но наиболее популярные обладают такой функцией: Python, JavaScript, C++. Этот инструмент доступен и в Pascal, Ruby, Delphi.

Понятие динамического массива

В мире программирования операционные системы компьютеров занимаются управлением памятью. Не важно, на каком языке программирования написана программа, взаимодействие с операционной системой идет через память.

При работе с переменными, размер которых может меняться в процессе выполнения, возникает вопрос о том, как эффективно использовать память и, в то же время, оставить место для других программ. Особенно важно это при работе с переменными динамического размера. Прежде чем мы перейдем к рассмотрению динамических массивов, давайте освоим понятие массивов в целом.

Массив — это упорядоченная коллекция данных. Если элемент в массиве помечен как пятый, то он остается пятым независимо от того, что происходит вокруг. Упорядоченность гарантирует, что элементы всегда будут на своих местах, если только мы не изменим их порядок. Типы данных в элементах массива могут быть разнообразными: числа, строки, объекты, в зависимости от языка программирования.

Для наглядности представьте память компьютера как сетку ячеек, каждая из которых содержит фрагмент информации.

Для работы с массивами программисты используют переменные, которые представляют собой ссылки на определенные области памяти.

Узнай, какие ИТ - профессии
входят в ТОП-30 с доходом
от 210 000 ₽/мес

Павел Симонов

Исполнительный директор Geekbrains

Команда GeekBrains совместно с международными специалистами по развитию карьеры подготовили материалы, которые помогут вам начать путь к профессии мечты.

Подборка содержит только самые востребованные и высокооплачиваемые специальности и направления в IT-сфере. 86% наших учеников с помощью данных материалов определились с карьерной целью на ближайшее будущее!

Скачивайте и используйте уже сегодня:

Павел Симонов

Исполнительный директор Geekbrains

Топ-30 самых востребованных и высокооплачиваемых профессий 2023

Поможет разобраться в актуальной ситуации на рынке труда

Подборка 50+ бесплатных нейросетей для упрощения работы и увеличения заработка

Только проверенные нейросети с доступом из России и свободным использованием

ТОП-100 площадок для поиска работы от GeekBrains

Список проверенных ресурсов реальных вакансий с доходом от 210 000 ₽

Получить подборку бесплатно

pdf 3,7mb

doc 1,7mb

Уже скачали 31949

Динамический массив — это структура данных, позволяющая менять размер массива и автоматически освобождать ненужные ячейки. Примеры языков программирования, поддерживающих динамические массивы, включают JavaScript, Python, Java (через ArrayList), C++ (с использованием векторов).

Реализация динамических массивов в языках программирования

Динамические массивы могут быть реализованы на уровне синтаксиса языка или с использованием системных библиотек. Для описания динамических массивов может использоваться другой синтаксис, но он также может быть похож на синтаксис для описания статических массивов.

Поддержка динамических массивов также предполагает наличие встроенных операций для определения размера массива и изменения его размера. Начальный размер динамического массива может быть равен нулю или задаваться при создании. Дальнейшие изменения размера выполняются через специальные встроенные операции. В некоторых языках (например, JavaScript, Lua) массив может автоматически расширяться при записи в несуществующую ячейку.

Для реализации динамических массивов с возможностью изменения размера приходится балансировать между противоречивыми требованиями.

Читайте также!

Что такое Nginx: зачем нужен, в чем особенность

Подробнее

Эффективное использование памяти: реализация не должна вызывать существенный перерасход памяти.

Эффективность в производительности, включая:

• минимальные накладные расходы при изменении размера массива;
• сохранение, насколько это возможно, постоянного времени доступа для чтения/записи элементов массива.

Совместимость с обычными статическими массивами на низком уровне. Например, для использования динамических массивов вместе с низкоуровневым кодом API операционной системы требуется размещение элементов массива в непрерывном блоке оперативной памяти в порядке, соответствующем индексации массива.

Выбор конкретного способа реализации зависит от приоритетов указанных требований.

Взаимодействие с динамическим массивом

Добавление и вставка элементов в массив

Представьте, что нам требуется добавить новое значение в конец динамического массива данных. Важно отметить, что элементы массивов всегда располагаются вплотную друг за другом, начиная с самого начала. Для добавления нового элемента мы помещаем его в ячейку с индексом текущей длины массива (currentLength):

dar[currentLength] = 8

Затем, увеличиваем значение currentLength на единицу:

currentLength += 1

Эта операция имеет постоянную сложность O(1) с точки зрения алгоритмической сложности.

Однако, в случае вставки нового элемента внутрь массива (например, после элемента со значением «5»), процедура схожа с тем, как это делается в обычных статических массивах. Нам необходимо сдвинуть значения «6», «7» и «8» на одну позицию вправо, чтобы освободить место для нового элемента. Затем, в освободившуюся позицию, записываем новое значение. Не забываем увеличить currentLength на единицу.

Вычислительная сложность этой операции составляет O(n), где n — физический размер динамического массива.

Изменение физического размера динамического массива

Работа с динамическими массивами понятна, пока есть свободное место. Но что делать, когда все ячейки массива заполнены, и нам необходимо добавить новый элемент?

Чтобы обойти эту проблему, используется более сложный, но надежный подход. Мы выделяем память под новый статический массив, размер которого в два или три раза больше исходного (обычно размер удваивается). В этот новый массив копируются значения из старого массива, после чего записывается новое значение, и currentLength увеличивается.

Сложность этой операции составляет O(n) по алгоритмической сложности, где n — физический размер динамического массива.

Если все новые элементы также заполняются, то процесс удвоения размера массива повторяется. Это принцип работы динамического массива элементов.

Возможно, возникнет вопрос, почему при выделении новой памяти под массив используется увеличение его размера в несколько раз, а не просто на один элемент (или на требуемое количество элементов).

Ответ вполне логичен. Если нам не хватило места в текущем массиве, вероятно, что и в новом массиве места также будет недостаточно. Это приведет к повторным операциям выделения памяти и копирования значений, что создаст избыточную нагрузку на процессорное время. Поэтому более разумно увеличивать размер динамического массива сразу в несколько раз, чтобы уменьшить вероятность создания новых массивов большого размера.

Удаление элементов в динамическом массиве

После того, как мы разобрались с добавлением и изменением размера массива, остается обсудить удаление элементов. Преимущество динамических массивов заключается в том, что физический размер массива при удалении элементов не изменяется. Это позволяет проводить операции удаления с высокой эффективностью.

Читайте также!

Kaggle: платформа для соревнований по анализу данных и машинному обучению

Подробнее

Представьте, что нам необходимо удалить последний элемент. Достаточно просто уменьшить значение currentLength на единицу. Это приведет к тому, что последний элемент фактически становится недоступным. Сложность данной операции составляет O(1).

Если же требуется удалить элементы не в конце массива, а в середине, ситуация немного сложнее. В этом случае нам необходимо сдвинуть все элементы справа от удаляемого элемента на одну позицию влево. При этом необходимо уменьшить currentLength на единицу.

Сложность операции удаления в этом случае составляет O(n), где n — физический размер массива. Важно отметить, что при удалении элементов физический размер массива остается неизменным, даже если ранее он увеличивался.

Дарим скидку от 60%
на курсы от GeekBrains до 24 ноября

Уже через 9 месяцев сможете устроиться на работу с доходом от 150 000 рублей

Забронировать скидку

Таким образом, динамические массивы предоставляют нам мощный инструмент для управления данными с различными потребностями. Разбираясь в механизмах добавления, изменения размера и удаления элементов, мы получаем возможность оптимизировать процессы и обеспечивать эффективное использование ресурсов.

Динамический массив и производительность

Сосредотачиваясь на динамических массивах, мы открываем перед собой несколько интересных перспектив. Данная структура динамических массивов данных функционально схожа с обычными массивами, но при этом предоставляет целый набор удобных возможностей. Одна из ключевых особенностей заключается в том, что время обращения или изменения значения любого элемента массива не зависит от его позиции.

Если вы уже освоили основы веб-разработки, вы, возможно, обратите внимание на сходствах функций динамических массивов и связных списков. Оба подхода позволяют изменять данные с минимальными издержками. Тем не менее, динамические массивы обладают более высокой производительностью при индексировании и переборе элементов.

Одновременно с этим они могут уступать в скорости добавления данных. В случае со списками достаточно изменить внутренние ссылки, тогда как в динамических массивах требуется перемещение данных в памяти. Эффективность работы с динамическими массивами повышают буферные окна, так называемые, gap buffers и многоуровневые векторы — tiered vectors.

Проблемы с динамическим массивом

• Запись в чужую область памяти

Причина: неудачное выделение памяти при использовании массива.

Вывод: нужно проверять указатель на NULL. Если после выделения памяти значение указателя равно нулю, использование такого массива приведет к зависанию системы.

• Повторное удаление указателя

Причина: попытка удаления массива, который уже был удален.

Вывод: после удаления массива следует обнулить указатель для быстрого выявления ошибок.

• Выход за границы массива

Причина: запись элемента с отрицательным индексом или индексом, выходящим за границы массива.

• Утечка памяти

Причина: неосвобождение неиспользуемой памяти. Если это происходит в функции, вызываемой многократно, ресурсы быстро исчерпываются.

Только до 25.11

Скачай подборку материалов, чтобы гарантированно найти работу в IT за 14 дней

Список документов:

ТОП-100 площадок для поиска работы от GeekBrains

20 профессий 2023 года, с доходом от 150 000 рублей

Чек-лист «Как успешно пройти собеседование»

Чтобы получить файл, укажите e-mail:

Введите e-mail, чтобы получить доступ к документам

Подтвердите, что вы не робот,
указав номер телефона:

Введите телефон, чтобы получить доступ к документам

Скачать подборку бесплатно pdf 2,5mb

Уже скачали 52300

Я подтверждаю согласие на обработку персональных данных.

Вывод: тщательная проверка кода и удаление неиспользуемых элементов.

Часто задаваемые вопросы о динамических массивах

Где хранятся элементы динамического массива?

Элементы хранятся в смежных ячейках памяти, обеспечивая высокую скорость доступа. Размер массива может меняться в процессе выполнения программы.

Для каких целей применяются динамические массивы?

Они используются для обработки однородных данных переменного размера. Эффективное управление памятью позволяет адаптироваться к изменяющимся требованиям.

Как выглядят на практике динамические массивы?

Вплоть до музыкальных плейлистов, списков контактов и таблиц лидеров на соревнованиях — динамические массивы управляют данными во множестве привычных сценариев. Они применяются повсеместно и являются ключевыми в индустрии информационных технологий.

Сегодня мы погрузились в теоретический мир динамических массивов. Это знание будет полезным при исследовании и реализации новых задач в области программирования.

Автор статьи:

Редакция сайта GeekBrains Шеф-редактор раздела Программирование