3.2. Массивы

3.2.1. Логическая структура

Массив - такая структура данных, которая характеризуется:

• фиксированным набором элементов одного и того же типа;

• каждый элемент имеет уникальный набор значений индексов;

• количество индексов определяют мерность массива, например, два индекса - двумерный массив, три индекса - трехмерный массив, один индекс - одномерный массив или вектор;

• обращение к элементу массива выполняется по имени массива и значениям индексов для данного элемента.

Другое определение: массив - это вектор, каждый элемент которого - вектор.

Синтаксис описания массива представляется в виде:

< Имя > : Array [n1..k1] [n2..k2] .. [nn..kn] of < Тип >.

Для случая двумерного массива:

Mas2D : Array [n1..k1] [n2..k2] of < Тип >, или

Mas2D : Array [n1..k1 , n2..k2] of < Тип >

Наглядно двумерный массив можно представить в виде таблицы из (k1-n1+1) строк и (k2-n2+1) столбцов.

3.2.2. Физическая структура

Физическая структура - это размещение элементов массива в памяти ЭВМ. Для случая двумерного массива, состоящего из (k1-n1+1) строк и (k2-n2+1) столбцов физическая структура представлена на рис. 3.3.

Рис. 3.3. Физическая структура двумерного массива из (k1-n1+1) строк и (k2-n2+1) столбцов

Многомерные массивы хранятся в непрерывной области памяти. Размер слота определяется базовым типом элемента массива. Количество элементов массива и размер слота определяют размер памяти для хранения массива. Принцип распределения элементов массива в памяти определен языком программирования. Так в FORTRAN элементы распределяются по столбцам - так, что быстрее меняется левые индексы, в PASCAL - по строкам - изменение индексов выполняется в направлении справа налево.

Количество байтов памяти, занятых двумерным массивом, определяется по формуле :

ByteSize = (k1-n1+1)*(k2-n2+1)*SizeOf(Тип)

Адресом массива является адрес первого байта начального компонента массива. Смещение к элементу массива Mas[i1,i2] определяется по формуле:

ByteNumber = [(i1-n1)*(k2-n2+1)+(i2-n2)]*SizeOf(Тип)

его адрес : @ByteNumber = @mas + ByteNumber.

Например:

var Mas : Array [3..5] [7..8] of Word;

Базовый тип элемента Word требует два байта памяти, тогда таблица 3.2 смещений элементов массива относительно @Mas будет следующей:

Смещение (байт)	Идентификатор поля	Смещение (байт)	Идентификатор поля
+ 0	Mas[3,7]	+ 2	Mas[3,8]
+ 4	Mas[4,7]	+6	Mas[4,8]
+ 8	Mas[5,7]	+ 10	Mas[5,8]

Таблица 3.2

Этот массив будет занимать в памяти: (5-3+1)*(8-7+1)*2=12 байт; а адрес элемента Mas[4,8]:

@Mas+((4-3)*(8-7+1)+(8-7)*2 = @Mas+6

3.2.3. Операции

Важнейшая операция физического уровня над массивом - доступ к заданному элементу. Как только реализован доступ к элементу, над ним может быть выполнена любая операция, имеющая смысл для того типа данных, которому соответствует элемент. Преобразование логической структуры в физическую называется процессом линеаризации, в ходе которого многомерная логическая структура массива преобразуется в одномерную физическую структуру.

В соответствии с формулами (3.3), (3.4) и по аналогии с вектором (3.1), (3.2) для двумерного массива c границами изменения индексов:

[B(1)..E(1)][B(2)..E(2)], размещенного в памяти по строкам, адрес элемента с индексами [I(1),I(2)] может быть вычислен как:

Addr[I(1),I(2)] = Addr[B(1),B(2)] +

{ [I(1)-B(1)] * [E(2)-B(2)+1] + [I(2)-B(2)] }*SizeOf(Тип) (3.5)

Обобщая (3.5) для массива произвольной размерности:

Mas[B(1)..E(2)][B(2)..E(2)]...[B(n)..E(n)]

получим:

Addr[I(1),I(2),...,I(n)] = Addr[B(1),B(2),...B(n)] -

n n (3.6)

- Sizeof(Тип)*СУММА[B(m)*D(m)] + Sizeof(Тип)*СУММА[I(m)*D(m)]

m=1 m=1

где Dm зависит от способа размещения массива. При размещении по строкам:

D(m)=[E(m+1)-B(m+1)+1]*D(m+1), где m = n-1,...,1 и D(n)=1

при размещении по столбцам:

D(m)=[E(m-1)-B(m-1)+1]*D(m-1), где m = 2,...,n и D(1)=1

При вычислении адреса элемента наиболее сложным является вычисление третьей составляющей формулы (3.6), т.к. первые две не зависят от индексов и могут быть вычислены заранее. Для ускорения вычислений множители D(m) также могут быть вычислены заранее и сохраняться в дескрипторе массива. Дескриптор массива, таким образом, содержит:

• начальный адрес массива - Addr[I(1),I(2),...,I(n)];

• число измерений в массиве - n;

• постоянную составляющую формулы линеаризации (первые две составляющие формулы (3.6);

• для каждого из n измерений массива:

• значения граничных индексов - B(i), E(i);

• множитель формулы линеаризации - D(i).

Одно из определений массива гласит, что это вектор, каждый элемент которого - вектор. Некоторые языки программирования позволяют выделить из многомерного массива одно или несколько измерений и рассматривать их как массив меньшей мерности.

Например, если в PL/1-программе объявлен двумерный массив:

DECLARE A(10,10) BINARY FIXED;

то выражение: A[*,I] - будет обращаться к одномерному массиву, состоящему из элементов: A(1,I), A(2,I),...,A(10,I).

Символ-джокер "*" означает, что выбираются все элементы массива по тому измерению, которому соответствует заданный джокером индекс. Использование джокера позволяет также задавать групповые операции над всеми элементами массива или над выбранным его измерением,

например: A(*,I) = A(*,I) + 1

К операциям логического уровня над массивами необходимо отнести такие как сортировка массива, поиск элемента по ключу. Наиболее распространенные алгоритмы поиска и сортировок будут рассмотрены в данной главе ниже.