随着计算机技术的不断发展，程序性能优化成为越来越多开发者关注的问题。在编写程序时，数组是我们最常用的数据结构之一。优雅地利用数组可以使程序性能得到极大的提升，本文将从以下三个方面来探讨如何优雅地利用数组提高程序性能。

一、避免无意义的数组拷贝

在 Java 中，数组是对象的一种，它的值存在堆内存中。我们要访问数组中的元素时，大量的时间会花费在寻找数组的地址上。因此，在处理大规模的数组时，我们应该尽量避免多余的数组拷贝，以减少程序运行时间。

考虑下面的代码：

```

int[] src = new int[N];

int[] dest = new int[N];

// 假设 src 数组已被赋值

System.arraycopy(src, 0, dest, 0, N);

```

在这段代码中，我们使用 System.arraycopy(src, 0, dest, 0, N) 对数组进行了拷贝。这个方法可以高效地将源数组中的元素复制到目标数组中，但是它的时间复杂度是 O(N)，其中 N 表示数组的长度。因此，如果我们希望减少数组拷贝带来的性能损失，可以考虑使用下面的代码：

```

int[] src = new int[N];

int[] dest = src;

// 假设 src 数组已被赋值

```

在这个代码中，我们未创建更新地址的新数组，只是将 dest 指向 src，这样就不会发生数组拷贝。这样的写法无疑可以减少程序的运行时间，但是需要注意的是，如果修改了 dest 数组的任意一个元素，那么源数组 src 也会受到影响，这点需要特别注意。

二、使用多维数组

数组的另一个重要特性是可以作为多维数组使用。如果数组元素分布有规律，可以使用多维数组来优化程序性能。比如，二维数组支持行主序和列主序，通常采用行主序更容易进行优化。

考虑下面的代码：

```

int[][] matrix = new int[N][M];

for (int i = 0; i < N; i ++) {

for (int j = 0; j < M; j ++) {

matrix[j][i] = i * M + j;

}

}

```

在这段代码中，我们创建了一个二维数组 matrix，其中 matrix[i][j] 的值为 i * M + j。如果我们采用行主序的方式，代码可以简化为：

```

int[][] matrix = new int[N][M];

for (int i = 0; i < N; i ++) {

int base = i * M;

for (int j = 0; j < M; j ++) {

matrix[i][j] = base + j;

}

}

```

在这个代码中，我们使用一个 base 变量来记录每一行的基础值，极大地简化了程序逻辑。

另一方面，多维数组的访问速度要比一维数组慢。因此，如果需要比较快的扫描一维数组，则可以将其转换为一维数组扫描，这对于一些算法时间敏感的情况下将有显著性能优化效果。

三、妙用位运算

位运算是一种非常高效的数学基础算法，可以大幅度地提高程序的执行效率。在利用数组提高程序性能的过程中，我们可以使用位运算来实现一些特殊的功能。

比如，我们可以利用位运算将一个二维数组转换为一个一维数组。如下图所示，左侧的二维数组可以通过右侧的一维数组进行表示。


这个操作的关键在于将二维坐标 (i, j) 映射到一维坐标，可以使用下面的代码实现：

```

int index = i * M + j;

```

其中，i 表示行数，M 表示列数，j 表示列的索引。这个运算是非常简单有效的，可以大幅度提高程序执行效率。

除了将二维数组映射到一维数组，我们还可以利用位运算优化一些基本算术运算。如对于一个正整数 n，其二进制表示中有 k 个 1，从右往左数第 i 个 1 出现在二进制表示的第 j 位（从右往左数）。那么第 i 个 1 在 n 中的位置可以使用下面的代码计算出来：

```

int i = 3, j = 5;

int n = 0b1010011010;

int cnt = 0;

int cur = -1;

while (n > 0 && cnt < i) {

if ((n & 1) == 1) {

cnt ++;

cur = j;

}

n >>= 1;

j --;

}

// cur 即为结果

```

通过位运算，我们可以将这个问题的时间复杂度从 O(log n) 降为 O(1)，大幅度提高了程序的性能。

四、总结

数组是程序中最为基本的数据结构之一，也是提高程序性能的重要途径之一。在编写程序时，通过避免无意义的数组拷贝、妙用多维数组和位运算等方法，可以大幅度提高程序的执行效率，为开发者提供更好的体验。