21天学会Java之(Java SE第八篇):数组、冒泡排序法、二分法查找

数组

数组的定义

数组是相同类型数据的有序集合，数组描述的是相同类型的若干个数据，按照一定的先后次序排列组合而成。其中，每一个数据称作一个元素，每个元素可以通过一个索引(下标)来访问它们。数组的三个基本特点：

1. 长度是确定的。数组一旦被创建，它的大小就是不可以改变的。
2. 其元素必须是相同类型，不允许出现混合类型。
3. 数组类型可以是任何数据类型，包括基本类型和引用类型。

• 注意事项： 数组变量属引用类型，数组也可以看成是对象，数组中的每个元素相当于该对象的成员变量。数组本身就是对象，Java中对象是在堆中的，因此数组无论保存原始类型还是其他对象类型，数组对象本身是在堆中存储的。

数组声明

在声明数组变量时，需要指出数组类型和数组变量的名字，数组的声明有一下两种：

type[] arr_name;  //通常我们使用这种方式
type arr_name[];

• 注意事项

1. 声明的时候并没有实例化任何对象，只有在实例化数组对象时，JVM才分配空间，这时才与长度有关。
2. 声明一个数组的时候并没有数组真正被创建。
3. 构造一个数组，必须指定长度。

数组的初始化

数组的初始化方式总共有三种：静态初始化、动态初始化、默认初始化；另外我们还可以声明一个匿名数组。

静态初始化

除了用new关键字来产生数组以外，可以直接在定义数组的同时就为数组元素分配空间并赋值，这种初始化方式叫做静态初始化，例如：

int[] a = { 1, 2, 3 };  //静态初始化基本类型数组；
Animal[] animals = {new Animal(“dog”),new Animal(“cat”)};  //静态初始化引用类型数组；

动态初始化

数组定义与为数组元素分配空间并赋值的操作分开进行。

int[] a1 = new int[2];  //动态初始化数组，先分配空间；
a1[0]=1;  //给数组元素赋值；
a1[1]=2;  //给数组元素赋值；

数组的默认初始化

数组是引用类型，它的元素相当于类的实例变量，因此数组一经分配空间，其中的每个元素也被按照实例变量同样的方式被隐式初始化。

int a2[] = new int[2];  //默认值：0,0
boolean[] b = new boolean[2];  //默认值：false,false
String[] s = new String[2];  //默认值：null, null

匿名数组

由于数组本身就是对象，所以我们可以参照匿名内部类的实例化，声明一个匿名数组。

new int[]{
     6,8,4,5,3}  //这就是一个匿名数组，匿名数组适用于仅需要使用一次的数组。

访问数组元素

数组元素的访问以及遍历

数组元素下标的合法区间：[0, length-1]。我们可以通过下标来访问数组中的元素，访问时可以读取元素的值或者修改元素的值。

int[] a=new int[100];  //首先我们创建一个数组，这个数组长度为100，所以它的合法区间为[0,99]
for(i=0;i<100;i++){
     
    a[i]=i;  //我们可以使用一个循环，在数组中填入元素
}

如果我们要遍历数，可以使用array.length获取数组的长度，例如：

for(i=0;i<a.length;i++){
     
    System.out.println(a[i]);
}

注意事项： 如果创建了一个100个元素的数组，并且试图访问元素a[100]（或在0~99之外的任何下标），就会引发“array index out of bounds”异常。

for each循环

增强for循环for each是JDK1.5新增加的功能，专门用于读取数组或集合中所有的元素，即对数组进行遍历。

这种增强的for循环语句格式为：

for(type variable:collection){
     
	语句块; 例如System.out.println(variable);将数组中的元素逐个输出
}

• 注意事项

1. for each增强for循环在遍历数组过程中不能修改数组中某元素的值。

2. for each仅适用于遍历，不涉及有关索引(下标)的操作。

3. for each循环语句的循环变量将会遍历数组中的每个元素，而不是下标值。

数组拷贝

System类里包含了一个static void arraycopy(object src，int srcpos，object dest， int destpos，int length)方法，该方法可以将src数组里的元素值赋给dest数组的元素，其中srcpos指定从src数组的第几个元素开始赋值，length参数指定将src数组的多少个元素赋给dest数组的元素。

public class Test {
     
    public static void main(String args[]) {
     
        int[] a={
     5,7,2,3,4};
        int[] b=new int[6];
        System.arraycopy(a,0,b,0,a.length);
        for (int i = 0; i < b.length; i++) {
     
            System.out.print(b[i]+ "\t");  //输出为5	7	2	3	4	0
        }
    }
}

另外，还可以采用java.util包下的Arrays.copyOf()的方法来拷贝数组，这个内容归纳在下文中。

java.util.Arrays类

JDK提供的java.util.Arrays类，包含了常用的数组操作，方便我们日常开发。Arrays类包含了：排序、查找、填充、打印内容等常见的操作。

数组拷贝

使用Arrays.copyOf(arr_name,int end)的方法可以拷贝指定的数组和拷贝的长度。

另外也可以使用Arrays.copyOfRange(arr_name,int start,int end)的方法拷贝指定数组指定起始位置的值，如果end大于a.length结果会自动填充默认值。

打印数组

使用Arrays.toString(arr_name)的方法可以打印出数组元素的值。

• 注意事项： 此处的Arrays.toString()方法是Arrays类的静态方法，不是Object类中的toString()方法。

数组元素的排序

使用Arrays.sort(arr_name)的方法可以将数组从小到大排序

• 数组元素是引用类型的排序(Comparable接口的应用)

当数组元素是引用类型时，需要使用Comparable接口，例如：

import java.util.Arrays;
public class Test {
     
    public static void main(String[] args) {
     
        Man[] msMans = {
      new Man(3, "a"), new Man(60, "b"), new Man(2, "c") };
        Arrays.sort(msMans);
        System.out.println(Arrays.toString(msMans));
    }
}
 
class Man implements Comparable {
     
    int age;
    int id;
    String name;
 
    public Man(int age, String name) {
     
        super();
        this.age = age;
        this.name = name;
    }
 
    public String toString() {
     
        return this.name;
    }
 
    public int compareTo(Object o) {
     
        Man man = (Man) o;
        if (this.age < man.age) {
     
            return -1;
        }
        if (this.age > man.age) {
     
            return 1;
        }
        return 0;
    }
}

二分法查找

使用Arrays.binarySearch(arr_name,查找的元素)方法来实现二分法查找

• 注意事项

1. 使用二分法查找之前，必须先对数组进行排序;
2. 如果查找到该元素则返回排序后新的索引位置,若未找到返回负数。

数组填充

import java.util.Arrays;
public class Test {
     
    public static void main(String[] args) {
     
        int[] a= {
     1,2,3,4,5,6,7,8};
        System.out.println(Arrays.toString(a));
        Arrays.fill(a, 2, 5, 100);  //将2到4索引的元素替换为100;
        System.out.println(Arrays.toString(a));
        //输出{1,2,100,100,100,6,7,8}
    }
}

数组的比较

使用Arrays.equals(arr1,arr2)的方法比较两个数组大小以及每个下标相同的元素是否都对应相等，如果相等则返回true，不相等则返回false。

多维数组

多维数组可以看成以数组为元素的数组。可以有二维、三维、甚至更多维数组，但是实际开发中用的非常少。最多使用到的仅为二维数组，但是一般都使用集合框架(容器)代替。

二维数组的声明

public class Test {
     
    public static void main(String[] args) {
     
        // Java中多维数组的声明和初始化应按从低维到高维的顺序进行
        int[][] a = new int[3][];
        a[0] = new int[2];
        a[1] = new int[4];
        a[2] = new int[3];
        // int a1[][]=new int[][4];//非法
    }
}

二维数组的静态初始化

public class Test {
     
    public static void main(String[] args) {
     
        int[][] a = {
      {
      1, 2, 3 }, {
      3, 4 }, {
      3, 5, 6, 7 } };
        System.out.println(a[2][3]);
    }
}

二维数组的动态初始化

import java.util.Arrays;
public class Test {
     
    public static void main(String[] args) {
     
        int[][] a = new int[3][];
        // a[0] = {1,2,5}; //错误，没有声明类型就初始化
        a[0] = new int[] {
      1, 2 };
        a[1] = new int[] {
      2, 2 };
        a[2] = new int[] {
      2, 2, 3, 4 };
        System.out.println(a[2][3]);
        System.out.println(Arrays.toString(a[0]));
        System.out.println(Arrays.toString(a[1]));
        System.out.println(Arrays.toString(a[2]));
    }
}

获取数组长度

System.out.println(a.length);  //获取的二维数组第一维数组的长度。
System.out.println(a[0].length);  //获取第二维第一个数组长度。

冒泡排序法

冒泡排序是最常用的排序算法，在笔试中也非常常见，能手写出冒泡排序算法可以说是基本的素养。

算法重复地走访过要排序的数列，一次比较两个元素，如果他们的顺序错误就把他们交换过来，这样越大的元素会经由交换慢慢“浮”到数列的顶端。

冒泡排序算法的运作如下：

1. 比较相邻的元素。如果第一个比第二个大，就交换他们两个。

2. 对每一对相邻元素作同样的工作，从开始第一对到结尾的最后一对。在这一点，最后的元素应该会是最大的数。

3. 针对所有的元素重复以上的步骤，除了最后一个。

4. 持续每次对越来越少的元素重复上面的步骤，直到没有任何一对数字需要比较。

可以参照一下例子理解：

import java.util.Arrays;

public class BubbleSort {
     
    public static void main(String[] args) {
     
        int[] a={
     5,3,7,9,4,1,8,0};
        bubbleSort(a);
        System.out.println(Arrays.toString(a));
    }

    public static void bubbleSort(int[] values) {
     
        int temp;
        //外层循环：n个元素排序，则至多需要n-1趟循环
        for (int i=0;i<values.length-1;i++){
     
            boolean flag = true;
            /*内层循环：每一趟循环都从数列的前两个元素开始进行比较，比较到无序数组的最后*/
            for (int j = 0; j < values.length-1-i; j++) {
     
                //如果前一个元素大于后一个元素，则交换两元素的值；
                if (values[j]>values[j+1]){
     
                    temp=values[j];
                    values[j]=values[j+1];
                    values[j+1]=temp;
                    flag=false;  //本趟发生了交换，表明该数组在本趟处于无序状态，需要继续比较；
                }
            }
            //根据标记量的值判断数组是否有序，如果有序，则退出；无序，则继续循环。
            if (flag){
     
                break;
            }
        }
    }
}

二分法查找

二分法检索(binary search)又称折半检索，二分法检索的基本思想是设数组中的元素从小到大有序地存放在数组(array)中，首先将给定值key与数组中间位置上元素的关键码(key)比较，如果相等，则检索成功;

否则，若key小，则在数组前半部分中继续进行二分法检索；

若key大，则在数组后半部分中继续进行二分法检索。

这样，经过一次比较就缩小一半的检索区间，如此进行下去，直到检索成功或检索失败。

可以参照一下例子理解：

import java.util.Arrays;

public class BinarySearch {
     
    public static void main(String[] args) {
     
        int[] a={
     9,5,7,3,5,1,2,6,8,4};
        Arrays.sort(a);  //二分法查找之前，一定要对数组元素排序
        System.out.println(Arrays.toString(a));
        System.out.println(binarySearch(a,8));
    }

    public static int binarySearch(int[] values, int value){
     
        int low=0;
        int high=values.length-1;
        while (low<=high){
     
             int middle=(low+high)/2;
             if (value==values[middle]){
     
                 return middle;  //返回查询到的索引位置
             }
             if (value>values[middle]){
     
                 low=middle+1;
             }
             if (value<values[middle]){
     
                 high=middle-1;
             }
        }
        return -1;  //上面循环完毕，说明未找到，返回-1
    }
}