Cos'è un array?

Un'app meteo che mostra le temperature della settimana ha bisogno di sette numeri. Potrebbe usare sette variabili separate, monday, tuesday e così via, ma allora nessun ciclo potrebbe scorrerle, e aggiungere un ottavo giorno significherebbe scrivere nuovo codice. Un array mette tutti e sette i numeri sotto un unico nome, temperatures, in caselle numerate da 0 a 6.

Come funziona un array

Un array tiene i suoi elementi uno accanto all'altro in un unico blocco di memoria, e ogni elemento occupa lo stesso numero di byte. Questa disposizione permette al computer di trovare qualsiasi elemento con un solo calcolo:

address of element i = start address + i × element size

Supponi che un array di interi a 32 bit (4 byte ciascuno) inizi all'indirizzo di memoria 1000. L'elemento 0 è a 1000, l'elemento 1 a 1004, l'elemento 2 a 1008 e l'elemento 3 a 1012. Raggiungere l'elemento 3 o l'elemento 3.000.000 richiede lo stesso singolo passo, ed è per questo che leggere un array tramite indice si dice a tempo costante, scritto O(1).

Il modulo array di Python memorizza i numeri grezzi proprio così, quindi puoi verificare il calcolo:

from array import array

scores = array("i", [90, 75, 88, 62])
print(scores.itemsize, "bytes per element")
print(len(scores) * scores.itemsize, "bytes in total")

start = 1000  # pretend the array starts at address 1000
for index in range(len(scores)):
    address = start + index * scores.itemsize
    print("scores[" + str(index) + "] =", scores[index], "at address", address)

4 bytes per element
16 bytes in total
scores[0] = 90 at address 1000
scores[1] = 75 at address 1004
scores[2] = 88 at address 1008
scores[3] = 62 at address 1012

Questa formula spiega anche perché la maggior parte dei linguaggi conta da 0. L'indice è uno scostamento: quanti elementi saltare dall'inizio. Il primo elemento dista 0 elementi dall'inizio, quindi il suo indice è 0, e l'ultimo elemento di un array di lunghezza n ha indice n − 1. Alcuni linguaggi, come Lua, MATLAB, R e Fortran, partono invece da 1.

Usare un array in Python

La maggior parte del codice Python usa la list integrata come array. La crei con le parentesi quadre, leggi e modifichi gli elementi tramite indice e ne chiedi la lunghezza con len():

temperatures = [18, 21, 25, 23, 19]

print(temperatures[0])   # first element
print(temperatures[2])   # third element
print(temperatures[-1])  # last element
print(len(temperatures))

temperatures[1] = 22     # change one element
temperatures.append(20)  # add one at the end
print(temperatures)

18
25
19
5
[18, 22, 25, 23, 19, 20]

Un indice negativo conta dalla fine, quindi temperatures[-1] è l'ultimo elemento. Questa scorciatoia è di Python; C e Java non hanno indici negativi.

Quanto costano le operazioni su un array

La disposizione continua rende alcune operazioni veloci e altre lente. Il costo cresce con n, il numero di elementi:

Inserire all'inizio è lento perché ogni elemento deve spostarsi di una casella per fare spazio. Cercare in un array non ordinato significa fare una ricerca lineare su ogni elemento a turno, mentre un array ordinato permette la ricerca binaria, che dimezza l'intervallo rimanente a ogni passo.

Scorrere un array con un ciclo

Array e cicli vanno di pari passo: un ciclo visita ogni elemento a turno, e questo si chiama iterazione. Le stesse poche righe gestiscono un array di 5 elementi o di 5 milioni.

prices = [4.50, 12.00, 3.25, 8.75]

total = 0
for price in prices:
    total = total + price

print("Total:", total)
print("Most expensive:", max(prices))

Total: 28.5
Most expensive: 12.0

Gli array in altri linguaggi

In C, un array ha una dimensione fissa stabilita quando viene dichiarato, e contiene valori grezzi di un solo tipo. sizeof ne riporta la dimensione in byte:

int scores[5] = {90, 75, 88, 62, 100};   /* 5 × 4 bytes = 20 bytes */

Anche gli array Java hanno una lunghezza fissa, e i nuovi elementi partono da un valore predefinito come 0 per i numeri. Quando ti serve un array Java che cresce, usi ArrayList:

int[] scores = new int[5];   // five elements, all 0
scores[0] = 90;

Gli array JavaScript crescono e si riducono liberamente e possono mescolare i tipi, come in [1, "two", true].

Gli array che crescono, come la list di Python, l'ArrayList di Java e lo std::vector di C++, si chiamano array dinamici. Riservano spazio extra in fondo. Quando quello spazio finisce, allocano un blocco più grande, ci copiano dentro ogni elemento e proseguono. Le copie sono abbastanza rare da mantenere l'aggiunta veloce in media.

Un array può contenere anche altri array. grid[row][col] legge una cella di un array bidimensionale, la struttura usata per scacchiere di gioco, fogli di calcolo e immagini. La guida C agli array multidimensionali mostra come stanno in memoria.

Errori comuni

Sbagliare di uno. Un array di 3 elementi ha gli indici 0, 1 e 2, quindi l'indice 3 è oltre la fine. Python si ferma con un errore:

scores = [90, 75, 88]
print(scores[3])

IndexError: list index out of range

Java lancia un'ArrayIndexOutOfBoundsException, e JavaScript restituisce in silenzio undefined. C non fa alcun controllo: leggere oltre la fine è un comportamento non definito, che può restituire dati spazzatura o far crashare il programma con un segmentation fault.

Copiare con un'assegnazione. In Python, Java e JavaScript, b = a non copia un array; entrambi i nomi si riferiscono allo stesso array, quindi modificare b modifica a. Usa a.copy() in Python o [...a] in JavaScript per una copia vera. La pagina sulle variabili spiega perché.

Cosa leggere dopo

Un array è utile solo con un ciclo che lo scorre, quindi leggi ora cos'è l'iterazione, e cos'è un byte per l'unità dietro le dimensioni degli elementi viste sopra. La guida alle liste in Python tratta slicing, ordinamento e metodi delle liste, e la visualizzazione della lista concatenata mostra la struttura che rinuncia all'accesso rapido tramite indice in cambio di inserimenti rapidi.