Polje (tabela) v računalništvu: definicija, indeksiranje in velikost

V programskih jezikih je polje način shranjevanja več elementov (na primer celih števil). Ti elementi morajo biti iste vrste (samo cela števila, samo nizi, ...), saj polje ne more shranjevati različnih vrst elementov. Vsak element v polju ima številko, tako da lahko programer z uporabo te številke pridobi element. Ta številka se imenuje indeks. V nekaterih programskih jezikih ima prvi element indeks 0, drugi element ima indeks 1 itd. V drugih jezikih pa ima prvi element indeks 1 (in nato 2, 3, ...).

Definicija in osnovne lastnosti

Polje je struktura podatkov, ki shrani zaporedje vrednosti istega tipa v spomin v zaporednih (kontinualnih) pomnilniških celicah. Zaradi tega imajo elementi v polju enako velikost in so lepo poravnani, kar omogoča hitro računanje naslova posameznega elementa: naslov elementa i = začetek_polja + i * velikost_elementa.

Indeksiranje

Indeks je celo število, ki določa položaj elementa v polju. Najpogostejši pristop v sodobnih jezikih (C, C++, Java, Python, JavaScript) je, da indeksiranje začne pri 0: prvo polje je [0], zadnje pa [n-1], kjer je n velikost polja. Nekateri jeziki (npr. nekateri starejši jeziki ali nastavitev v nekaterih okoljih) uporabljajo indeksiranje, ki začne pri 1.

Pomembne opombe o indeksiranju:

• Če poskušate dostopati do indeksa izven dovoljenega območja (manj kot 0 ali več kot n-1 pri 0‑osnovnem indeksiranju), pride do napake z dostopom — v nekaterih jezikih to vrže izjemo, v drugih (npr. C) pa lahko povzroči nedoločeno vedenje in varnostno ranljivost.
• Pogost vir napak so t. i. “off‑by‑one” napake — napačno vključevanje ali izključevanje robnih indeksov pri zankah in kopiranjih.

Velikost polja in dinamika

Ko programer ustvari polje, mora navesti njegovo velikost. To je največje število elementov, ki jih je mogoče shraniti v to polje. V statičnih (fiksnih) poljih te velikosti običajno ni mogoče spreminjati — če želite več elementov, je treba ustvariti novo polje ali uporabiti dinamični mehanizem.

Možnosti za upravljanje z velikostjo:

• Statično polje: velikost določena ob deklaraciji (npr. v C: int a[10];).
• Dinamično polje: pomnilnik se dodeli v času izvajanja (npr. malloc/realloc v C, std::vector v C++, ArrayList v Javi, seznam/array v Pythnu). Dinamična polja lahko spreminjajo dolžino, pogosto z notranjim pre-alloakcijskim pomnoževanjem, da se zmanjša število realokacij.

Večdimenzionalna polja

Polja so lahko večdimenzionalna — na primer matrika (2D polje) ali tabelarno večdimenzionalno polje. Te so pogosto predstavljene kot polje polj (npr. int a[3][4] v C) ali kot ena-dimenzionalno z izračunom indeksa (row-major ali column-major vrstni red shranjevanja).

Polja v jeziku C

V jeziku C so polja osnovna oblika zbiranja podatkov in so zaporedna območja elementov istega tipa. Nekatere pomembne točke in primeri:

• Deklaracije: int a[5]; (polje petih celih števil). Indeksiranje v C je 0‑osnovno: elementi so a[0] ... a[4].
• Niz kot polje znakov: char s[] = "abc"; dejansko ustvari štiri znake ('a','b','c','\0').
• Velikosti in operator sizeof: sizeof(a) pri statičnem polju vrne skupno število bajtov; za dinamično dodelan niz (pointer) to ne deluje enako.
• Polja ne izvajajo preverjanja meja — dostop izven meja vodi v nedoločeno vedenje (buffer overflow).
• Možne so tudi kombinacije: polja struktur, polja kazalcev ipd. Dinamična polja v C običajno uporabljajo malloc, calloc ali realloc za dodeljevanje in spreminjanje velikosti.

Prednosti in slabosti polj

• Prednosti:
  • Hitri naključni dostop do elementa (O(1)).
  • Enostavna struktura in nizka režija porabe pomnilnika pri statičnih poljih.
  • Številne optimizacije na strojni ravni zaradi kontinuitete v pomnilniku (predpomnilnik CPU).
• Slabosti:
  • Fiksna velikost pri statičnih poljih in stroški premestitve pri povečevanju velikosti.
  • Vstavljanje ali brisanje v sredini polja je drago — O(n), saj je treba premakniti elemente.
  • Ni varnostnega preverjanja meja v nekaterih jezikih (npr. C).

Pogoste operacije in njihova časovna zahtevnost

• Dostop po indeksu: O(1).
• Iskanje (linearno): O(n) v naivni izvedbi.
• Vstavljanje/brisanje na začetku ali v sredini: O(n).
• Dodajanje na konec pri dinamičnem nizu (amortizirano): O(1) amortizirano, sicer O(n) ob realokaciji.

Priporočila in pogoste napake

• Vedno preverjajte meje pri dostopu do elementov (kjer je to mogoče).
• Uporabljajte ustrezne tipe za velikosti (npr. size_t v C/C++) in ne predvidevajte, da sta int in size_t enaka.
• Pri dinamični dodelitvi pomnilnika vedno poskrbite za sprostitev (free/delete) in preverite uspešnost dodelitve.
• Za pogosto spreminjajoče se sezname razmislite o uporabi dinamičnih struktur (std::vector, ArrayList, linked list), namesto neposrednega upravljanja s statičnimi polji.
• Pri delu z nizih znak v C ne pozabite na terminacijski znak '\0'.

Polja so temeljna in široko uporabljena struktura podatkov v računalništvu. Razumevanje njihovega notranjega delovanja, omejitev in optimalnih scenarijev uporabe pomaga pri pisanju varnih, učinkovitih in jasnih programov.

Vprašanja in odgovori

V: Kaj je polje v programskih jezikih?

V: Katere vrste elementov lahko shranimo v polje?

V: Kaj je indeks v polju?

V: Kako se določi indeks prvega elementa v polju?

V: Kaj mora programer zagotoviti pri ustvarjanju polja?

V: Zakaj velikosti polja ni mogoče spremeniti?

V: Kaj mora programer storiti, če želi shraniti več elementov, kot dovoljuje velikost polja?

Išči po črki