数组编程是一种高级编程范例，专注于使用紧凑、富有表现力且功能丰富的语法进行高效的数据操作和转换。这种方法使开发人员能够直接对数组和矩阵等数据结构进行操作，将它们视为基本对象并利用矢量化操作的强大功能。数组编程的主要目标是消除或显着减少显式迭代和循环的需要，从而提供复杂算法和数值计算的更简洁和直观的表示。因此，与使用传统命令式或过程式编程风格实现的对应程序相比，使用数组编程技术编写的程序通常表现出更好的性能、可扩展性、可维护性和可读性。
在数组编程的上下文中，数组是一种数据结构，它以线性或多维格式保存通常为相同类型的值的集合。可以使用专门为处理此类结构而设计的各种内置函数、运算符和语言结构来创建、操作和转换数组。虽然数字、字符串和布尔值等标量数据类型通常在定义数组的各个元素中发挥着重要作用，但这些元素的集体行为和属性构成了数组编程技术的基石。
数组编程最显着的特征之一是广泛使用面向数组的函数，这些函数被设计为对整个数组或子数组作为输入参数进行操作，产生新的数组作为输出。这些功能可以分为几组，包括：
- 按元素函数，以可并行的方式独立地将给定的标量运算应用于输入数组的每个元素，生成相同大小和形状的输出数组。
- 约简函数沿一维或多维聚合输入数组的元素，减小其大小，并生成维数更少的输出数组。示例包括总和、乘积、平均值或最大值。
- 扩展函数可复制、重复或重塑输入数组的元素，从而生成在一个或多个方向上具有更多维度或更大尺寸的输出数组。
- 扫描函数沿着指定的轴或顺序累积部分结果，创建一个输出数组，该数组表示在输入元素上迭代和顺序应用的给定操作的累积效果。
数组编程的另一个显着特征是数组索引、切片和广播机制的普遍使用，这使得开发人员能够以灵活高效的方式提取、组合、对齐或重新组织数据子集。数组索引是指使用数字索引或布尔掩码访问各个元素或子数组的过程。数组切片涉及沿一维或多维提取数据的连续部分，通常提供原始数据的视图或引用，而不是创建深层副本。数组广播涉及低维数组的隐式扩展或复制，以匹配高维数组的大小和形状，从而允许在不同形状的数组之间进行一致且连贯的逐元素操作。
数组编程语言和库通常提供一组丰富的预定义函数和抽象来处理数组，范围从基本算术运算到高级线性代数、统计分析或信号处理例程。此外，这些实现通常依赖于高度优化的内部例程，这些例程以 C、C++ 或 Fortran 等低级语言编写，利用现代 CPU 和 GPU 固有的并行性和矢量化功能，为数据提供出色的性能和可扩展性。密集应用。数组编程语言和环境的一些著名示例包括 APL、J、K、MATLAB、Julia、NumPy、R 和 TensorFlow。
数组编程已成功应用于广泛的领域，包括科学计算、工程、金融、数据分析、机器学习和计算机视觉等。数组编程范式提供的简洁表示法和强大抽象使开发人员和领域专家能够轻松表达复杂算法、执行快速原型设计，并使用相对较小的代码库实现显着的生产力和性能提升。此外，基于数组的操作固有的并行性和矢量化潜力自然使其能够在现代多核和众核架构上高效且可扩展地执行，从而使数组编程成为当代高性能和数据密集型领域高度相关且有吸引力的方法计算场景。
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