NumPy - Ndarray 对象

NumPy ndarray

NumPy 中定义的最重要的对象是称为ndarray的 N 维数组类型。它描述了一个相同类型项的集合，可以使用基于零的索引访问这些项。

ndarray 中的每个项在内存中占用相同大小的块，并由称为dtype的数据类型对象表示。

从 ndarray 对象（通过切片）提取的任何项都由数组标量类型之一的 Python 对象表示。

ndarray、dtype 和数组标量类型之间的关系

下图显示了ndarray、数据类型对象dtype和数组标量类型之间的关系：

创建 ndarray

可以使用不同的数组创建例程构造 ndarray 类的实例。基本的 ndarray 使用 NumPy 中的array()函数创建。

numpy.array()函数从公开数组接口的任何对象或从返回数组的任何方法创建 ndarray。以下是语法：

numpy.array(object, dtype = None, copy = True, order = None, subok = False, ndmin = 0)

上述构造函数采用以下参数：

序号	参数和描述
1	object 任何公开数组接口方法并返回数组的对象，或任何（嵌套的）序列。
2	dtype 所需的数组数据类型，可选
3	copy 可选。默认情况下（true），对象会被复制
4	order C（行主序）或 F（列主序）或 A（任意）（默认）
5	subok 默认情况下，返回的数组强制为基类数组。如果为 true，则子类将被传递
6	ndmin 指定结果数组的最小维度

请查看以下示例以更好地理解。

示例：创建一维数组

在以下示例中，我们使用 NumPy 中的 array() 函数创建了一个一维数组：

import numpy as np
a = np.array([1, 2, 3])
print(a)

获得的输出如下：

[1, 2, 3]

示例：创建多维数组

在这里，我们使用 NumPy 中的 array() 函数创建了一个二维数组：

import numpy as np
a = np.array([[1, 2], [3, 4]])
print(a)

这将产生以下结果：

[[1 2]
 [3 4]]

示例：指定最小维度

现在，我们通过将“ndmin”作为参数传递给 array() 函数来指定结果数组的最小维度：

import numpy as np
a = np.array([1, 2, 3, 4, 5], ndmin=2)
print(a)

以下是上述代码的输出：

[[1 2 3 4 5]]

示例：指定数据类型

在下面的示例中，我们将 array() 函数中的“dtype”参数设置为 complex：

import numpy as np
a = np.array([1, 2, 3], dtype=complex)
print(a)

执行上述代码后，我们得到以下输出：

[1.+0.j 2.+0.j 3.+0.j]

ndarray 的内存布局

一个ndarray对象由一个连续的内存块组成。这意味着数组中的所有元素都存储在内存的单个连续段中。这种连续的内存布局允许轻松访问和操作数组元素。

索引方案

索引方案将 ndarray 中的每个项映射到内存块中的特定位置。ndarray 使用形状和步长的组合来确定每个元素的位置。

形状 - 数组的形状是一个整数元组，表示数组沿每个维度的尺寸。例如，2x3 数组的形状为 (2, 3)。
步长 - 步长是在遍历数组时每个维度需要跳过的字节数。步长决定如何在每个维度上从一个元素移动到下一个元素。

行主序和列主序

ndarray 中的元素可以以两种主要顺序存储。它们是：

行主序（C 样式） - 在行主序中，最后一个索引变化最快。这意味着同一行中的元素在内存中彼此相邻存储。NumPy 默认使用行主序。例如，在 2x3 数组中：
```
[[1, 2, 3],
 [4, 5, 6]]
```
元素在内存中存储为：1、2、3、4、5、6。
列主序（FORTRAN 样式） - 在列主序中，第一个索引变化最快。这意味着同一列中的元素在内存中彼此相邻存储。例如，在 2x3 数组中：
```
[[1, 2, 3],
 [4, 5, 6]]
```
元素在内存中存储为：1、4、2、5、3、6。

示例

以下是一个基本示例，演示了内存布局的使用：

import numpy as np

# Creating a 2x3 array in row-major order
a = np.array([[1, 2, 3], [4, 5, 6]])
print("Array:")
print(a)
print("Shape:", a.shape)
print("Strides:", a.strides)

数组的形状为 (2, 3)，表示它有 2 行 3 列。步长为 (24, 8)，这意味着要移动到下一行，我们需要跳过 24 个字节（因为每个元素都是一个 8 字节整数，并且有 3 列），要移动到下一列，我们需要跳过 8 个字节（一个整数的大小），如以下输出所示：

Array:
[[1 2 3]
 [4 5 6]]
Shape: (2, 3)
Strides: (24, 8)

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