顺序表的原理

Posted 2020-10-31 F君君

数据是如何在内存中存储的？

在32位的计算机上，1个字节有8位，内存寻址的最小单位就是字节。假设我们有一个int类型的值，它从0x10开始，一个int占据4个字节，则其结束于0x13。

那么数据类型有什么意义呢？

它确定了一个特定类型的数据到底要申请多大的内存地址来存储（大小），并且决定取到的二进制数应该如何解释（意义）。

地址里存储的只有二进制数，但对于数字和字符同一二进制数代表的意义是不同的。

同类型的数据在内存中是如何连续存储的？

假设有一个四个数的集合 24, 299, 10, 4，将它们连续地存储在一起时，在内存里的表现就像是它们紧挨着挤在一起。如果第一个元素从0x10开始，那整个集合就在0x25结束。每个元素都是内置在地址中的。代表集合的变量指向集合的开始地址0x10，要找到第一个元素就加上4。

因为类型相同，则每个元素的偏移量也相同，就可以有下图的公式（c就是元素类型的大小）。

这也是为什么集合要从0开始了：元素下标表示的就是一个特定偏移量单位，第0个元素自然是没有任何偏移的。获得特定元素，也不需要遍历整个集合，计算偏移量即可。

不同类型的数据集合在内存中是如何存储的？

当不同的元素要挤在一个集合里时，用偏移量来定位就靠不住了，毕竟各自大小都不同。但不要忘了，内存地址本身的大小是固定的。

假设集合里有12, 1.24, \'ab\' 三种不同的元素，它们的位置各不连续，分散在不同的地方。就申请一块3个元素大小的连续内存区域，里面每个元素都分别指向集合内的元素。

这时的元素是外置的。

 

顺序表在内存中的结构是什么？

要在内存中给集合开辟一块区域，总得先确定大小（容量），不然如何开辟？另外，确定区域后，还要知道当前已经占用了几个元素（元素个数），一旦溢出，就需要重新申请空间。

要表达这种结构，有两种实现方式。一种是把头信息和元素串到一起，形成一个元素个数+2的表。另一种就是把头信息和元素分开放，两者之间用一个元素建立一个链接，连在一起。

存储表信息的单元与元素存储区以连续的方式安排在一块存储区里，两部分数据的整体形成一个完整的顺序表对象。一体式结构整体性强，易于管理。但是由于数据元素存储区域是表对象的一部分，顺序表创建后，元素存储区就固定了。

分离式结构中表对象里只保存与整个表有关的信息（即容量和元素个数），实际数据元素存放在另一个独立的元素存储区里，通过链接与基本表对象关联。

一旦表需要扩充，对于一体式结构来说，就要重新申请一块更大的空内存区域，将所有元素放入其中，再清空旧的内存区域。

对于分离式结构来说，则需要将链接地址更新一下，顺序表对象是不变的。

说到扩充，又是如何进行的呢？

采用分离式结构的顺序表，若将数据区更换为存储空间更大的区域，则可以在不改变表对象的前提下对其数据存储区进行了扩充，所有使用这个表的地方都不必修改。

扩充的策略可以说有两种。

每次扩充增加固定数目的存储位置，如每次扩充增加10个元素位置，这种策略可称为线性增长。特点：节省空间，但是扩充操作频繁，操作次数多。

（就是以时间换空间，以后每次添加的元素过多就要多花时间重新扩容）

每次扩充容量加倍，如每次扩充增加一倍存储空间。特点：减少了扩充操作的执行次数，但可能会浪费空间资源。

（以空间换时间，每次扩容占用的空间大了，但扩容就可以少执行些）

 

说了以上这么多，这时我们就可以审视一下python中的list。

list有以下几个特点：

1.元素有位置下标，以索引就可以直接取到元素  -->  连续的存储空间，以偏移量计算取得元素，不必遍历所有元素

2.元素无论如何改变，表对象不变，也就是其id不变  -->  分离式结构，表头和元素内容分开储存，这样在更改list时，表对象始终是同一个，只是其指向的地址不同

3.元素可以是任意类型  -->  既要要求是连续存储，又可以存储不同类型的数据，那么其用的就是元素外置的方式，存储的只是地址的引用

4.可以任意添加新元素  -->  要能不断地添加新元素，其使用了动态扩充的策略

从实现上来讲，在python中创建空ist时，会申请一个8个元素大小的内存区域。以后如果满了，就扩容4倍，且当元素总数达到50000时，再扩容就改为2倍。