什么是數組
數組（Array）是一種線性表數據結構。它用一組連續的內存空間，來存儲一組具有相同類型的數據。對於數組，你要掌握兩個關鍵點。
1. 線性表
線性表就是數據排成像一條線一樣的結構。每個線性表上的數據最多只有前和后兩個方向。其實除了數組，鏈表、隊列、棧等也是線性表結構。
而與它相對立的概念是非線性表，比如二叉樹、堆、圖等。之所以叫非線性，是因為，在非線性表中，數據之間並不是簡單的前后關系。比如說下面樹形結構中的D節點就有三個方向的數據。
2. 連續的內存空間和相同類型的數據
數組的存儲空間是連續的，而且必須存儲相同類型的數據。正是因為這兩個限制，它才有了一個堪稱“殺手鐧”的特性：“隨機訪問”。但有利就有弊，這兩個限制也讓數組的很多操作變得非常低效，比如要想在數組中刪除、插入一個數據，為了保證連續性，就需要做大量的數據搬移工作。
這邊解釋下隨機訪問的含義。隨機訪問是指通過元素的下標能立馬定位到元素在數組中的位置，隨機查找的時間復雜度為O(1)。
有的人可能把在數組中查找元素和隨機訪問搞混了。在數組中查找元素必須進行數組遍歷，時間復雜度是O(n)，即使是排序的數組，通過二分查找，時間復雜度是O(logn)。
低效的“插入”和“刪除”
1. 插入操作
假設數組的長度為 n，現在，如果我們需要將一個數據插入到數組中的第 k 個位置。為了把第 k 個位置騰出來，給新來的數據，我們需要將第 k～n 這部分的元素都順序地往后挪一位。這個操作的時間復雜度是O(n)。
如果數組中的數據是有序的，我們在某個位置插入一個新的元素時，就必須按照剛才的方法搬移 k 之后的數據。但是，如果數組中存儲的數據並沒有任何規律，數組只是被當作一個存儲數據的集合。在這種情況下，如果要將某個數據插入到第 k 個位置，為了避免大規模的數據搬移，我們還有一個簡單的辦法就是，直接將第 k 位的數據搬移到數組元素的最后，把新的元素直接放入第 k 個位置。
為了更好地理解，我們舉一個例子。假設數組 a[10]中存儲了如下 5 個元素：a，b，c，d，e。我們現在需要將元素 x 插入到第 3 個位置。我們只需要將 c 放入到 a[5]，將 a[2]賦值為 x 即可。最后，數組中的元素如下： a，b，x，d，e，c。
利用這種處理技巧，在特定場景下，在第 k 個位置插入一個元素的時間復雜度就會降為 O(1)。（直接將指定位置的元素放到數組最后一位后面array[array.length]=k）
2. 刪除操作
跟插入數據類似，如果我們要刪除第 k 個位置的數據，為了內存的連續性，也需要搬移數據，不然中間就會出現空洞，內存就不連續了。刪除操作的時間復雜度也是O(n)。
實際上，在某些特殊場景下，我們並不一定非得追求數組中數據的連續性。如果我們將多次刪除操作集中在一起執行，刪除的效率是不是會提高很多呢？
我們繼續來看例子。數組 a[10]中存儲了 8 個元素：a，b，c，d，e，f，g，h。現在，我們要依次刪除 a，b，c 三個元素。
為了避免 d，e，f，g，h 這幾個數據會被搬移三次，我們可以先記錄下已經刪除的數據。每次的刪除操作並不是真正地搬移數據，只是記錄數據已經被刪除。當數組沒有更多空間存儲數據時，我們再觸發執行一次真正的刪除操作，這樣就大大減少了刪除操作導致的數據搬移。
如果你了解 JVM，你會發現，這不就是 JVM 標記清除垃圾回收算法的核心思想。
關於數組使用的幾個注意點
- 小心數組越界訪問（一般在數組的長度范圍內訪問數組元素是沒什么問題的）；
- 小心數組元素為空，數組某個下標位置上的值可能是空的，如果不做判斷的話可能會發生空指針異常。
怎么實現數組這種數據結構
數組是每個編程語言都會直接提供的數據結構。而且很多語言提供了更高級的容器實現，比如Java中的ArrayList。ArrayList 最大的優勢就是可以將很多數組操作的細節封裝起來。比如前面提到的數組插入、刪除數據時需要搬移其他數據等。另外，它還有一個優勢，就是支持動態擴容。
數組本身在定義的時候需要預先指定大小，因為需要分配連續的內存空間。如果我們申請了大小為 10 的數組，當第 11 個數據需要存儲到數組中時，我們就需要重新分配一塊更大的空間，將原來的數據復制過去，然后再將新的數據插入。
如果使用 ArrayList，我們就完全不需要關心底層的擴容邏輯，ArrayList 已經幫我們實現好了。每次存儲空間不夠的時候，它都會將空間自動擴容為 1.5 倍大小。
不過，這里需要注意一點，因為擴容操作涉及內存申請和數據搬移，是比較耗時的。所以，如果事先能確定需要存儲的數據大小，最好在創建 ArrayList 的時候事先指定數據大小。
作為高級語言編程者，是不是數組就無用武之地了呢？當然不是，有些時候，用數組會更合適些，我總結了幾點自己的經驗：
- Java ArrayList 無法存儲基本類型，比如 int、long，需要封裝為 Integer、Long 類，而 Autoboxing、Unboxing 則有一定的性能消耗，所以如果特別關注性能，或者希望使用基本類型，就可以選用數組。
- 如果數據大小事先已知，並且對數據的操作非常簡單，用不到 ArrayList 提供的大部分方法，也可以直接使用數組；
- 還有一個是我個人的喜好，當要表示多維數組時，用數組往往會更加直觀。比如 Object[][] array；而用容器的話則需要這樣定義：ArrayList > array；
對於業務開發，直接使用容器就足夠了，省時省力。畢竟損耗一丟丟性能，完全不會影響到系統整體的性能。但如果你是做一些非常底層的開發，比如開發網絡框架，性能的優化需要做到極致，這個時候數組就會優於容器，成為首選。
有趣的知識點
數組的下標為什么從0開始？
其實數組的下標更確切的表述是相對於首地址的偏移量，這樣更容易尋址。
從數組存儲的內存模型上來看，“下標”最確切的定義應該是“偏移（offset）”。前面也講到，如果用 a 來表示數組的首地址，a[0]就是偏移為 0 的位置，也就是首地址，a[k]就表示偏移 k 個 type_size 的位置，所以計算 a[k]的內存地址只需要用這個公式： a[k]_address = base_address + k * type_size 但是，如果數組從 1 開始計數，那我們計算數組元素 a[k]的內存地址就會變為： a[k]_address = base_address + (k-1)*type_size
一些網友留言
1. 數組的一些其他應用
數組的應用真的很多，比如redis的內部實現，壓縮鏈表，快速鏈表，還有后來搞出一個緊湊列表來替代壓縮列表。而且很多自定義協議都是用數組做的，比如rocketmq的協議，前面幾位代表什么，后面幾位代表什么。
2. 標記清除法
標記清除具體步驟如下：
- 開始標記並程序暫停（stop the world）；
- 找到所有可達對象，並做上標記;
- 標記完成后開始清除未標記的對象;
- 清除完成;
其實所有的垃圾收集算法都可以分為：標記階段和收集階段。只是不同的垃圾回收機制在這兩個階段使用的算法不一樣。
標記清除法帶來的問題
- STW (stop the world) 標記對象的時候程序需要暫停，導致程序出現卡頓，如果經常進行STW操作，程序性能將大幅下降；
- 標記需要掃描整個堆；
- 清除對象會產生堆碎片。
STW指的是JVM把所有線程都暫停了，這樣所有的對象都不會被修改，這個時候去掃描是絕對安全的。
3. 畫圖軟件推薦
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4.分代收集法
分代收集算法（針對JDK1.8以下）：
根據對象的存活周期分為老年代，新生代，永久代
a、在新生代中，每次GC時都發現有大批對象死去，只有少量存活，使用復制算法。即在垃圾回收時，將正在使用的內存中存活對象復制到另一塊未使用的內存中。之后清理正在使用的內存中所有對象，交換兩塊內存角色。反復進行，完成垃圾回收。
b、在老年代中，因為對象存活率高、沒有額外空間對他進行分配擔保，使用“標記-清理”/“標記-整理”算法。即在標記階段，遍歷所有的GC Roots，然后將所有GC Roots可達的對象標記為存活的對象。清除階段，清除的過程將遍歷堆中所有的對象，將沒有標記的對象全部清除掉。
c、永久代（Permanet Generation）/ 元空間（Metaspace）
永久代用於存儲已被虛擬機加載的類信息、常量、靜態變量、即時編譯后的代碼等數據。是JVM規范中方法區的具體實現。
是Hotspot虛擬機特有的概念，方法區/永久代是非堆內存。