第13章 数组类

来源、版次与运行边界

“第13章 数组类”以作者维护的第 5 版支持页核定 2016 年 3 月 12 日首刷、两位作者、松本行弘监修以及四部分 23 章目录；逐章程序清单、练习答案和勘误只作为公开支持材料，不被冒充为原书全文。

对“第13章 数组类”而言，中文解释、示例、交互、练习和答案均为独立教学重写；站内中文章名是与官方 23 章顺序对应的课程映射，不宣称是日文小节的逐字翻译，也不从公开程序清单复制整段实现。

“第13章 数组类”固定在 Ruby 2.3 语境；Ruby 2.3.0 官方文档与稳定版发布说明用于核对当时可用的语言和标准库行为。现代 Ruby 的差异只能另列迁移说明，不能静默改变本页示例的版本结论。

围绕“怎样用容量、索引、元素身份和初始化策略证明数组操作正确？”，本页验收“第13章 数组类的输入样本、接收者与方法、关键状态前后值、正常与失败输出、异常或退出状态，以及复位后的再次运行记录。”。先预测正常轨迹，再只注入“使用 Array.new 的同一默认对象初始化多行矩阵”；若无法定位第一处状态分岔，就拒绝当前解释。

从“Array只是可变列表”开始深化

Array同时可作sequence、stack、small queue、tuple-like record和matrix row，但每种角色有不同shape与operation contract。避免同一对象被多种写法随意修改。

先预测：Array.new(3, [])得到三行矩阵后修改matrix[0] << 1，为何三行都变化？三个槽位保存同一Array reference。正确独立行使用block generator；这是本章反复出现的aliasing主线。

复习数组

Array有序、以0为起点、可变，槽位保存object references。length/size是槽位数量，不保证无nil或元素同class。Assignment复制Array reference，dup只复制外层，nested objects仍共享。

决定是否可用bang method、是否需要snapshot和并发如何同步。Public method接收Array时应说明会否修改或保留reference；防御copy也只有在定义了depth后才有意义。

数组的创建方法：Array.new、%w与%i

Literal适合已知元素；Array.new(size)创建nil slots；带block版本按index生成value；static default重复同一reference。%w[...]产生Strings，%i[...]在支持版本产生Symbols，按whitespace切项，适合无空格的固定tokens。

values = Array.new(4) { |index| index * index }
words = %w[ruby array iterator]
keys = %i[name score status]
 
p values: values, words: words, keys: keys

使用to_a与字符串的split方法

Range/Enumerator等的to_a materialize全部元素，可能无界或占大量memory；先确认size。String#split是parser，不只是conversion：separator、limit、trailing empty fields和encoding影响shape。CSV不要用简单comma split，改用csv library。

p((1..5).to_a)
p("a,b,,c".split(",", -1)) # preserve trailing/empty shape by explicit policy

保护memory和schema。

索引的使用方法

array[index]缺失返回nil，negative index从尾部；fetch把缺失变成IndexError或显式default。Range/start, length可取得slice；越界slice的nil/empty差异需按目标版本测试。应由调用场景选择宽松或严格API。

获取、替换与插入元素

items = %w[a b c]
 
p items[0]
p items.fetch(-1)
p items[1, 2]
 
items[1] = "B"
items.insert(2, "X")
items[1, 2] = ["m", "n", "o"]
p items

Slice assignment可替换不同数量元素，从而改变length；超出尾部index赋值会填nil形成sparse Array。Fixed-shape record/matrix不应暴露任意[]=，而应封装validation。

通过多个索引创建数组

values_at(0, 2, -1)按给定indices构造新Array，missing位置可成为nil；可混Range但展开size需评估。它复制element references，不复制元素。对required schema先fetch每个index，避免nil悄悄进入结果。

作为集合的数组

Array提供& intersection、| union、- difference，结果去重/判断依赖元素equality/hash实现，并保留API规定的order；它不是专门Set的所有语义。适合小型有序结果。

left = [:a, :b, :b, :c]
right = [:b, :d]
 
p(left & right)
p(left | right)
p(left - right)

|与+的不同点

+连接Arrays并保留重复，|执行union-style去重。二者都返回new Array，不修改receivers；concat修改receiver。选择method表达“sequence concatenation”还是“set union”，不要只看输出恰好相同的happy case。

作为列的数组

原书把Array作为“列/队列”讨论：stack用push/<<和pop操作尾部；queue可push后shift头部。Array头部shift/unshift可能移动大量elements，规模大或吞吐高时使用适合queue的数据结构/库并benchmark。

数组的添加、删除与替换

添加有push、<<、unshift、insert、concat；删除有pop、shift、delete、delete_at、delete_if、compact!；替换有index/slice assignment、replace、map!。尤其关注bang返回值。

某些bang methods在“没有变化”时返回nil，而非总返回receiver；不能用其truthiness代表处理成功。delete(value)未找到时返回nil或block result；若Array允许nil元素，presence与returned nil需分开。

items = [1, nil, 2, 2]
removed = items.delete(2)
changed = items.compact!
 
p items: items, removed: removed, changed: changed

对外共享Array原地修改会影响所有references；需要transactional update时先构造new Array并验证，再一次替换owner field。Exception-safe mutation要测试中途block raise后的partial state。

数组与迭代器

Each、each_index、each_with_index、reverse_each以及Enumerable的map/select/reject/find/any?/all?/each_slice等提供不同yield。无block时多数返回Enumerator。比一律each更有信息。

处理数组中的元素

Index loop适合需要邻居/random access；each适合逐元素side effect；map适合一对一new Array；select/reject过滤；delete_if原地删除。遍历中不要通用地增删同一Array，专用bang method由实现拥有index更新。

scores = [40, 80, 95]
passed = scores.select { |score| score >= 60 }
labels = scores.map.with_index { |score, index| "#{index}:#{score}" }
 
p passed: passed, labels: labels

map.with_index由map返回Enumerator后附加index，避免外部counter。Lazy chain最终必须由take/force/each消费；source mutation与重复消费规则需说明。

矩阵与初始化

Ruby没有内置通用matrix layout语义，nested Arrays常表示rows。独立行必须用nested block，且每行length一致。防止ragged/shared rows。

rows = 2
columns = 3
matrix = Array.new(rows) { Array.new(columns, 0) }
 
matrix[0][1] = 7
p matrix # [[0, 7, 0], [0, 0, 0]]

初始化时的注意事项

Array.new(rows, Array.new(columns, 0))共享row。即使rows独立，若cell default是mutable object还需为每格生成。Large matrix要评估object overhead、cache locality和专业library；nested Array适合教学/小数据，不等于高性能numeric matrix。

同时访问多个数组

left.zip(right)按index形成pairs；较短Array缺失位置填nil，较长的非receiver尾部忽略到receiver长度。防止silent truncation/padding。

names = ["A", "B", "C"]
scores = [90, 80]
 
rows = names.zip(scores)
p rows # [["A", 90], ["B", 80], ["C", nil]]

若length相等是invariant，zip前先比较并raise；若nil是合法score，使用result object/presence flag区分missing。多个parallel Arrays常意味着应改为Array of records，避免插入/删除时错位。

正式节点与章专属证据

• Array.new、%w与%i ：第 1 个正式节点要能回到“所有索引落在有效区间，嵌套元素的共享或复制行为符合声明。”，并说明故障发生前后的第一处差异。
• to_a与split ：第 2 个正式节点要能回到“所有索引落在有效区间，嵌套元素的共享或复制行为符合声明。”，并说明故障发生前后的第一处差异。
• 索引的使用方法 ：第 3 个正式节点要能回到“所有索引落在有效区间，嵌套元素的共享或复制行为符合声明。”，并说明故障发生前后的第一处差异。
• 作为集合的数组 ：第 4 个正式节点要能回到“所有索引落在有效区间，嵌套元素的共享或复制行为符合声明。”，并说明故障发生前后的第一处差异。
• 作为列的数组 ：第 5 个正式节点要能回到“所有索引落在有效区间，嵌套元素的共享或复制行为符合声明。”，并说明故障发生前后的第一处差异。
• 数组的添加、删除与替换 ：第 6 个正式节点要能回到“所有索引落在有效区间，嵌套元素的共享或复制行为符合声明。”，并说明故障发生前后的第一处差异。
• 数组与迭代器 ：第 7 个正式节点要能回到“所有索引落在有效区间，嵌套元素的共享或复制行为符合声明。”，并说明故障发生前后的第一处差异。
• 矩阵与初始化 ：第 8 个正式节点要能回到“所有索引落在有效区间，嵌套元素的共享或复制行为符合声明。”，并说明故障发生前后的第一处差异。
• 同时访问多个数组 ：第 9 个正式节点要能回到“所有索引落在有效区间，嵌套元素的共享或复制行为符合声明。”，并说明故障发生前后的第一处差异。

本章回顾：每个Array先固定role与shape

1. Creation决定reference ownership；static mutable default共享，materialization必须有size/parser上界。
2. Index API在missing、negative、slice和sparse write上有宽松语义，required shape使用fetch/validation。
3. Set-like、stack、queue分别有equality/order/cost差异，+、|与concat表达不同意图。
4. Mutation method的receiver/result/partial failure要测试，iterator按transform/filter/side effect选择。
5. Matrix避免共享rows/cells，zip明确length/padding；复杂parallel Arrays改为records。

练习与答案

名词解释