【JavaSE笔记】数组
一、前言
数组被广泛应用于各种应用场景中。
在这篇文章中，我们将深入探讨Java数组的概念、定义、基本操作、多维数组以及常见的应用场景。
二、数组的基本概念
1、什么是数组
数组：可以看成是相同类型元素的一个集合。在内存中是一段连续的空间。比如现实中的车库：
在java中，包含6个整形类型元素的数组，就相当于上图中连在一起的6个车位，从上图中可以看到：
-
数组中存放的元素其类型相同
-
数组的空间是连在一起的
-
每个空间有自己的编号，其实位置的编号为0，即数组的下标。
2、数组的创建
T[] 数组名 = new T[N];
T：表示数组中存放元素的类型
T[ ]：表示数组的类型
N：表示数组的长度
值得注意的是，一旦创建了数组，就不能再改变它的大小！
在 Java中数组是对象，不是基本数据类型（原生类），大小不可变且连续存储，因为是对象所以存储在堆空间中。数组长度在创建时就确定了，要改变数组长度只能重新创建新的数组，将原有数组复制到新的数组之中。这也是ArrayList扩容时候的效率低于LinkedList的原因。
int[] array1 = new int[10]; // 创建一个可以容纳10个int类型元素的数组
double[] array2 = new double[5];// 创建一个可以容纳5个double类型元素的数组
String[] array3 = new String[3];// 创建一个可以容纳3个字符串元素的数组
3、数组的初始化
数组的初始化主要分为动态初始化以及静态初始化。
Ⅰ、动态初始化
动态初始化：在创建数组时，直接指定数组中元素的个数
int[] array = new int[10];
此时，没有给数组赋值，所以开辟的数组空间中的初始值全部为0
public static void main(String[] args){
int[] array = new int[5];
for(int i = 0;i<5;i++){
System.out.println(array[i]);
}
}
Ⅱ、静态初始化
静态初始化：在创建数组时不直接指定数据元素个数，而直接将具体的数据内容进行指定
T[] 数组名称 = {data1, data2, data3, ..., datan};
int[] array1 = new int[]{0,1,2,3,4,5,6,7,8,9};
double[] array2 = new double[]{1.0, 2.0, 3.0, 4.0, 5.0};
String[] array3 = new String[]{"hell", "Java", "!!!"};
【注意事项】
-
静态初始化虽然没有指定数组的长度，编译器在编译时会根据{}中元素个数来确定数组的长度。
-
静态初始化时, {}中数据类型必须与[]前数据类型一致。
-
静态初始化可以简写，省去后面的new T[]。
// 注意：虽然省去了new T[], 但是编译器编译代码时还是会还原
int[] array1 = {0,1,2,3,4,5,6,7,8,9};
double[] array2 = {1.0, 2.0, 3.0, 4.0, 5.0};
String[] array3 = {"hell", "Java", "!!!"};
- 静态和动态初始化也可以分为两步，但是省略格式不可以。
int[] array1;
array1 = new int[10];
int[] array2;
array2 = new int[]{10, 20, 30};
// 注意省略格式不可以拆分, 否则编译失败
// int[] array3;
// array3 = {1, 2, 3};
- 如果没有对数组进行初始化，数组中元素有其默认值
| 类型 | 默认值 |
|---|---|
| byte | 0 |
| short | 0 |
| int | 0 |
| long | 0 |
| float | 0.0f |
| double | 0.0 |
| char | /u0000 |
| boolean | false |
- 如果数组中存储元素类型为引用类型，默认值为null
4、数组的使用
Ⅰ、数组中元素的访问
数组在内存中是一段连续的空间，空间的编号都是从0开始的，依次递增，该编号称为数组的下标，数组可以通过下标访问其任意位置的元素。
int[]array = new int[]{10, 20, 30, 40, 50};
System.out.println(array[0]);
System.out.println(array[1]);
System.out.println(array[2]);
System.out.println(array[3]);
System.out.println(array[4]);
// 也可以通过[]对数组中的元素进行修改
array[0] = 100;
System.out.println(array[0]);
【注意事项】
-
数组是一段连续的内存空间，因此支持随机访问，即通过下标访问快速访问数组中任意位置的元素
-
下标从0开始，介于[0, N）之间不包含N，N为元素个数，不能越界，否则会报出下标越界异常
Ⅱ、for循环遍历
"遍历"是指将数组中的所有元素都访问一遍,访问是指对数组中的元素进行某种操作，比如：打印。
int[]array = new int[]{10, 20, 30, 40, 50};
System.out.println(array[0]);
System.out.println(array[1]);
System.out.println(array[2]);
System.out.println(array[3]);
System.out.println(array[4]);
上述代码可以起到对数组中元素遍历的目的，但问题是：
1.如果数组中增加了一个元素，就需要增加一条打印语句。
2.如果输入中有100个元素，就需要写100个打印语句。
3.如果现在要把打印修改为给数组中每个元素加1，修改起来非常麻烦。
通过观察代码可以发现，对数组中每个元素的操作都是相同的，则可以使用循环来进行打印
int[]array = new int[]{10, 20, 30, 40, 50};
for(int i = 0; i < 5; i++){
System.out.println(array[i]);
}
改成循环之后，上述三个缺陷可以全部2和3问题可以全部解决，但是无法解决问题1。那能否获取到数组的长度呢？
【注意】在数组中可以通过 数组对象.length 来获取数组的长度
int[]array = new int[]{10, 20, 30, 40, 50};
for(int i = 0; i < array.length; i++){
System.out.println(array[i]);
}
Ⅲ、for-each遍历
也可以使用for-each 遍历数组
int[] array = {1, 2, 3};
for (int x : array) {
System.out.println(x);
}
for-each循环（也被称为增强型for循环）是一种简化迭代集合（如数组、List、Set等）
for-each循环提供了一种更简洁、易读的方式来遍历集合元素。for (Type Name : collection) { // 代码块 } //Type：表示集合中元素的类型。 //Name：是一个临时变量，用于在每次迭代中存储集合中的当前元素。 //collection：要遍历的集合。
如果需要处理一个集合中的所有元素，可以用for each循环语句对传统循环语句进行改进。
Ⅳ、数组的拷贝
Java 中Arrays.copyOf 可以用于复制原数组，返回一个新的数组，并且这个新数组可以选择一个新的长度。
int new_array = Arrays.copyOf(array,new_length);
array：原数组。new_length：新数组的长度。- 如果数组元素是数值型，那么多余的元素将被赋值为0；如果数组元素是布尔型，那么多余元素将被赋值为
false
public static void main(String[] args) {
int[] array1 = new int[5];
for (int i = 0; i < array1.length; i++) {
array1[i] = i;
}
int[] array2 = Arrays.copyOf(array1,array1.length*2);
for (int x:array2) {
System.out.print(x+" ");
}
}
三、数组是引用类型
1、初试JVM的内存分布
内存是一段连续的存储空间，主要用来存储程序运行时数据的。
-
程序运行时代码需要加载到内存
-
程序运行产生的中间数据要存放在内存
-
程序中的常量也要保存
-
有些数据可能需要长时间存储，而有些数据当方法运行结束后就要被销毁
如果对内存中存储的数据不加区分的随意存储，那对内存管理起来将会非常麻烦。因此JVM也对所使用的内存按照功能的不同进行了划分：
程序计数器 (PC Register): 只是一个很小的空间, 保存下一条执行的指令的地址
虚拟机栈(JVM Stack): 与方法调用相关的一些信息，每个方法在执行时，都会先创建一个栈帧，栈帧中包含有：局部变量表、操作数栈、动态链接、返回地址以及其他的一些信息，保存的都是与方法执行时相关的一些信息。比如：局部变量。当方法运行结束后，栈帧就被销毁了，即栈帧中保存的数据也被销毁了。
本地方法栈(Native Method Stack): 本地方法栈与虚拟机栈的作用类似. 只不过保存的内容是Native方法的局部变量. 在有些版本的 JVM 实现中(例如HotSpot), 本地方法栈和虚拟机栈是一起的。
堆(Heap): JVM所管理的最大内存区域。使用new创建的对象都是在堆上保存堆是随着程序开始运行时而创建，随着程序的退出而销毁，堆中的数据只要还有在使用，就不会被销毁。
方法区(Method Area): 用于存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。方法编译出的的字节码就是保存在这个区域。
2、基本类型与引用类型
基本数据类型创建的变量，称为基本变量，该变量空间中直接存放的是其所对应的值。
引用数据类型创建的变量，一般称为对象的引用，其空间中存储的是对象所在空间的地址。
public static void func() {
int a = 10;
int b = 20;
int[] arr = new int[]{1,2,3};
}
在上述代码中，a、b、arr，都是函数内部的变量，因此其空间都在main方法对应的栈帧中分配。
a、b是内置类型的变量，因此其空间中保存的就是给该变量初始化的值。
array是数组类型的引用变量，其内部保存的内容可以简单理解成是数组在堆空间中的首地址。
从上图可以看到，引用变量并不直接存储对象本身，可以简单理解成存储的是对象在堆中空间的起始地址。通过该地址，引用变量便可以去操作对象。
这个有点类似C语言中的指针，但是Java中引用要比指针的操作更简单。
3、引用变量
public static void func() {
int[] array1 = new int[3];
array1[0] = 10;
array1[1] = 20;
array1[2] = 30;
int[] array2 = new int[]{1,2,3,4,5};
array2[0] = 100;
array2[1] = 200;
array1 = array2;
array1[2] = 300;
array1[3] = 400;
array2[4] = 500;
for (int i = 0; i < array2.length; i++) {
System.out.println(array2[i]);
}
}
引用变量其实就是一个变量，不过他存储的是一个对象的内存地址。
4、认识null
null 在 Java 中表示 “空引用” , 也就是一个不指向对象的引用。
int[] arr = null;
System.out.println(arr[0]);
// 执行结果
Exception in thread "main" java.lang.NullPointerException
at Test.main(Test.java:6)
null 的作用类似于 C 语言中的 NULL (空指针), 都是表示一个无效的内存位置。因此不能对这个内存进行任何读写操作。一旦尝试读写, 就会抛出NullPointerException。
注意: Java 中并没有约定 null 和 0 号地址的内存有任何关联
四、数组的应用
1、保存数据
public static void main(String[] args) {
int[] array = {1, 2, 3};
for(int i = 0; i < array.length; ++i){
System.out.println(array[i] + " ");
}
}
2、作为函数的参数
Ⅰ、参数传数组类型
public static void print(int[] array){
array[0] = 8;
for (int i = 0; i < array.length; i++) {
System.out.print(array[i]+" ");
}
}
public static void main(String[] args){
int[] array = {1,2,3,4,5};
print(array);
}
发现在print方法内部修改数组的内容, 方法外部的数组内容也发生改变。因为数组是引用类型，按照引用类型来进行传递，是可以修改其中存放的内容的。
总结: 所谓的 “引用” 本质上只是存了一个地址。Java 将数组设定成引用类型, 这样的话后续进行数组参数传参, 其实只是将数组的地址传入到函数形参中。这样可以避免对整个数组的拷贝(数组可能比较长, 那么拷贝开销就会很大)
Ⅱ、作函数的返回值
public static int[] func(){
int a = 111;
int b = 222;
return new int[]{a,b};
}
public static void main(String[] args){
int[] array = func();
for (int i = 0; i < array.length; i++) {
System.out.print(array[i]+" ");
}
}
例如：写一个方法myToString，传入一个数组的时候以字符串的方式进行打印
public static String myToString(int[] array) {
if(array==null)
return "null";
String s = "[";
for (int i = 0; i < array.length; i++) {
s+=array[i];
if(i!= array.length-1)
s+=",";
}
s+="]";
return s;
}
public static void main(String[] args) {
int[] array = {1, 2, 3, 4, 5, 6};
int[] array2 = null;
String ret = myToString(array);
String ret2 = myToString(array2);
System.out.println(ret);
System.out.println(ret2);
}
五、二维数组
二维数组本质上也就是一维数组, 只不过每个元素又是一个一维数组
数据类型[][] 数组名称 = new 数据类型 [行数][列数] { 初始化数据 };
int[][] arr = {
{1, 2, 3, 4},
{5, 6, 7, 8},
{9, 10, 11, 12}
};
for (int row = 0; row < arr.length; row++) {
for (int col = 0; col < arr[row].length; col++) {
System.out.printf("%d\t", arr[row][col]);
}
System.out.println("");
}
// 执行结果
1 2 3 4
5 6 7 8
9 10 11 12
二维数组的用法和一维数组并没有明显差别。
同理, 还存在 “三维数组”, “四维数组” 等更复杂的数组, 只不过出现频率都很低。
六、数组练习
1、求数组元素的平均值
题目：给定一个整型数组, 求平均值
public static double ave(int [] array){
int sum = 0;
for (int i = 0; i < array.length; i++) {
sum+=array[i];
}
return (double)sum /(double)array.length;
}
public static void main(String[] args) {
int[] array = {1,2,3,4,5,6,7,8,9,9,7,5};
double ret = ave(array);
System.out.println(ret);
}
2、查找数组中的指定元素
给定一个数组, 再给定一个元素, 找出该元素在数组中的位置
public static int find (int[] array,int n){
for (int i = 0; i < array.length; i++) {
if(array[i]==n)
return i;
}
return -1;
}
public static void main(String[] args) {
int[] array = {1,2,3,4,5,6,7,8,9,9,7,5};
int ret = find(array,3);
System.out.println("下标为："+ ret);
}
3、二分查找
针对有序数组, 可以使用更高效的二分查找
以升序数组为例, 二分查找的思路是先取中间位置的元素, 然后使用待查找元素与数组中间元素进行比较：
-
如果相等，即找到了返回该元素在数组中的下标
-
如果小于，以类似方式到数组左半侧查找
-
如果大于，以类似方式到数组右半侧查找
public static int binSearch(int[] array,int val) {
int l = 0, r = array.length - 1;
while (l <= r) {
int mid = (l + r) / 2;
if (val > array[mid]) {
l = mid + 1;
} else if (val < array[mid]) {
r = mid - 1;
}
else {
return mid;
}
}
return -1;
}
public static void main(String[] args) {
int[] array = {1,2,2,3,4,5,6,7,8};
System.out.println(binSearch(array,3));
}
Java自带的也有二分查找，可以直接使用。
Arrays.binarySearch方法是Java中的java.util.Arrays类提供的一个实用方法，用于在已排序的数组中搜索指定元素。
Arrays.binarySearch有许多重载版本，可以处理不同类型的数组，如int[]、long[]、float[]、double[]、short[]、char[]、byte[]和Object[]等。
public static void main(String[] args) {
int[] array = {1,2,2,3,4,5,6,7,8};
int ret = Arrays.binarySearch(array,3);
System.out.println(ret);
}
4、冒泡排序
冒泡排序（Bubble Sort）也是一种简单直观的排序算法。它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。走访数列的工作是重复地进行直到没有再需要交换，也就是说该数列已经排序完成。这个算法的名字由来是因为越小的元素会经由交换慢慢"浮"到数列的顶端。
比较相邻的元素。如果第一个比第二个大，就交换他们两个。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。这步做完后，最后的元素会是最大的数。针对所有的元素重复以上的步骤，除了最后一个。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。
public static void bubbleSort(int[] arr) {
for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
for (int j = 1; j < arr.length-i; j++) {
if (arr[j-1] > arr[j]) {
int tmp = arr[j - 1];
arr[j - 1] = arr[j];
arr[j] = tmp;
}
}
}
}
public static void main(String[] args) {
int[] array = {1,9,2,3,4,5,8,7,8};
bubbleSort(array);
for (int i = 0; i < array.length; i++) {
System.out.print(array[i]+" ");
}
}
冒泡排序性能较低， Java 中内置了更高效的排序算法
Arrays.sort 是 Java 中 java.util.Arrays 类提供的一组实用方法，用于对数组进行排序。
public static void main(String[] args) {
int[] arr = {12, 3, 6, 8, 2, 15, 1, 10};
// 对数组进行排序
Arrays.sort(arr);
// 输出排序后的数组
System.out.println("排序后: " + Arrays.toString(arr));
}
5、数组的拷贝
public static int[] cope (int[] array){
int [] copearray = new int[array.length];
for (int i = 0; i < array.length; i++) {
copearray[i] = array[i];
}
return copearray;
}
public static void main(String[] args) {
int[] array = {1,9,2,3,4,5,8,7,8};
int[] ret = cope(array);
System.out.println(Arrays.toString(ret));
System.out.println("------------------");
int[] ret2 = Arrays.copyOf(array,array.length);
System.out.println(Arrays.toString(ret2));
}
注意：数组当中存储的是基本类型数据时，不论怎么拷贝基本都不会出现什么问题，但如果存储的是引用数据类型，拷贝时需要考虑深浅拷贝的问题。