JavaSE 数组的定义与使用
Java SE数组的定义与使用
1、数组的基本概念
1.1 什么是数组
数组可以看成是相同类型元素的一个集合，数组有以下特点：
-
数组中存放的元素类型相同
-
数组的空间是连接在一起的
-
每个空间都有自己的编号，即数组的下标
1.2 数组的创建及初始化
1.2.1 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
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
1.2.2 数组的初始化
数组的初始化主要分为 动态初始化 和 静态初始化
- 动态初始化：在创建数组时，直接指定数组中元素的个数
int[] arr = new int[10];
- 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
int[] arr1 = new int[]{0,1,2,3,4,5,6,7,8,9};
double[] arr2 = new double[]{1.0,2.0,3.0};
String[] arr3 = new String[]{"hello","JAVA"};
注：
- 静态初始化时，{}中的数据类型必须与[]前的数据类型一致
- 静态初始化虽然没有指定数组的长度，但编译器会在编译时根据{}中元素的个数来确定数组的长度
- 静态初始化可以简写，省去后面的new T[]
int[] arr = {0,1,2,3,4,5,6,7,8,9}; //注：虽然省去了new T[],但是编译器编译代码时还是会还原
double[] arr2 = {1.0,2.0,3.0};
String[] arr3 = {"hello","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[] arr1;
arr1 = new int[10];
int[] arr2;
arr2 = new int[]{1,2,3};
//注意省略格式不可以拆分，否则编译失败
//int[] arr3;
//arr3 = {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
- 如果数组中存储元素类型为基类类型，默认值为基类类型对应的默认值，比如：
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(String，类，接口)，默认值为nul
1.3 数组的使用
1.3.1 数组元素访问
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.
代码示例：
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]);
//执行结果
10
20
30
40
50
100
注:
- 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
一旦越界就会显示：java.lang.ArrayIndexOutOfBoundsException异常
1.3.2 遍历数组
"遍历"是指将数组中的所有元素都访问一遍，这里可以利用循环来进行访问
int[] arr = new int[]{10,20,30,40,50};
for (int i = 0;i < 5;i++) {
System.out.println(arr[i]);
}
//执行结果
10
20
30
40
50
注：上述的代码数组长度是写死了的，在数组中可以通过 数组对象.length 来获取数组的长度
int[] arr = new int[]{10,20,30,40,50};
for (int i = 0;i < arr.length;i++) {
System.out.println(arr[i]);
}
//执行结果
10
20
30
40
50
也可使用for-each 遍历数组
int[] arr = {1,2,3};
for (int x:arr) {
System.out.println(x);
}
//执行结果
1
2
3
2、数组是引用类型
想要了解数组在内存中的存储方式，我们有必要先了解一下内存这个东西
2.1 初始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的数据，比如：
- 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放在内存中
- 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 (例如前面的 new int[]{1, 2, 3} )
- 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
2.2 基本类型变量与引用类型变量的区别
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控对象。类似于C语言中的指针，但是java中引用要比指针操作更加简单。
2.3 数组在内存中的使用
这里我们直接上代码演示：
public class Test {
public static void main(String[] args) {
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; // 这里是将array2所指对象的地址赋给了array1， 后面array1 和 array2 指向同一个对象
array1[2] = 300;
array1[3] = 400;
array1[4] = 500;
for (int i = 0; i < array2.length; i++) {
System.out.println(array2[i]);
}
}
由上述内容可知：引用变量并不直接存储对象本身，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控对象，故这里的array1和array2修改后引用的是同一个数组
以下有详细图解：
2.4 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]); //此时数组arr没有指向任何对象，无法调用
在赋值null后还强行调用的话，会抛出NullPointerException(空指针)异常
3、数组的应用场景
3.1 保存数据
public static void main(String[] args) {
int[] arr = {1, 2, 3};
for (int i = 0;i < arr.length;i++) {
System.out.println(arr[i]);
}
}
3.2 作为函数参数
数组作为引用类型，将它作为方法参数进行传递，数组内容在方法内部被修改后在方法外部的数组内容也会发生改变
public class Test {
public static void main(String[] args) {
int[] arr = {1, 2, 3};
System.out.println("修改前：arr[0] = " + arr[0]);
func(arr);
System.out.println("修改后：arr[0] = " + arr[0]);
}
public static void func(int[] arr1) {
arr1[0] = 10;
System.out.println("arr1[0] = " + arr1[0]);
}
}
//执行结果
修改前：arr[0] = 1
arr1[0] = 10
修改后：arr[0] = 10
注：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)
3.3 作为函数的返回值
和之前获取第N项不同，这次来获取斐波那契数列的前N项，代码如下：
import java.util.Scanner;
public class Test {
public static int[] fib(int n) {
if (n <= 0) {
return null;
}
int[] arr = new int[n];
arr[0] = 1;
arr[1] = 1;
for (int i = 2;i < n;i++) {
arr[i] = arr[i - 1] + arr[i - 2];
}
return arr;
}
public static void main(String[] args) {
Scanner scanner = new Scanner(System.in);
int n = scanner.nextInt();
int[] array = fib(n);
for (int j = 0;j < array.length;j++) {
System.out.print(array[j] + " ");
}
}
}
4、二维数组
二维数组本质上也是一维数组，不过数组里面的每个元素又是一个一维数组
数据类型[] 数据名称 = new 数据类型 [行数] [列数] {初始化数值};
代码示例：
public class Test {
/*二维数组*/
public static void main(String[] args) {
int[][] arr = {{1,2,3,4},{5,6,7,8},{9,10,11,12}};
for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
for (int j = 0;j < arr[i].length;j++) {
System.out.printf("%d\t",arr[i][j]);
}
System.out.println();
}
}
}
//执行结果
1 2 3 4
5 6 7 8
9 10 11 12
5、数组练习
5.1 数组拷贝
代码示例：
import java.util.Arrays;
public class Test {
public static void main(String[] args) {
int[] arr = {1,2,3,4,5,6};
int[] newArr = arr; //这里的newArr 和 arr 引用的是同一个数组，因此newArr修改内容后arr也会被修改
newArr[0] = 10;
System.out.println("newArr: " + Arrays.toString(newArr)); //Arrays.toString()可以将数组转换为字符串输出
System.out.println("==========================");
arr[0] = 1;
//使用Arrays.copyOf()方法完成数组拷贝
//copyOf方法在进行数组拷贝时，创建了一个新的数组，即此时arr 和 newArr引用的不是同一个数组
newArr = Arrays.copyOf(arr,arr.length);
System.out.println("newArr: " + Arrays.toString(newArr));
arr[0] = 10; //此时修改arr对newArr没有影响
System.out.println("arr: " + Arrays.toString(arr));
System.out.println("newArr: " + Arrays.toString(newArr));
}
}
注：数组当中存储的是基本数据类型时，不论怎么拷贝基本不会出现什么问题，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。
5.2 查找数组中指定元素(顺序查找)
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
代码示例：
public class Test {
public static int func(int[] arr, int n) {
for (int i = 0;i < arr.length;i++) {
if (arr[i] == n) {
return i; //找到后返回下标
}
}
return -1; //表示没找到
}
public static void main(String[] args) {
int[] array = {1, 25, 3, 7, 5};
System.out.println(func(array,25));
}
}
5.3 查找数组中指定元素(二分查找)
在有序数组(有顺序的数组，升序或降序)的前提下，可以使用更高效的二分查找来查找指定的数组元素
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，则以类似的方法到数组左半侧查找
- 如果大于，则以类似的方法到数组右半侧查找
代码示例：
public class Test {
/*查找数组中指定元素(二分查找)*/
public static int binarySearch(int[] arr, int n) {
int left = 0;
int right = arr.length - 1;
while(left <= right) {
int mid = (left + right) / 2;
if (arr[mid] == n) {
return mid;
} else if (n < arr[mid]) {
right = mid - 1; //去中间元素的左侧位置找
} else {
left = mid + 1; //去中间元素的右侧位置找
}
}
return -1; //表示没找到该元素
}
public static void main(String[] args) {
int[] array = {1, 3, 25, 2, 7};
System.out.println("25所在位置：" + binarySearch(array,25));
}
}
5.4 冒泡排序
给定一个数组，让数组升序 (降序) 排序
算法思路：
以升序为例：
- 将数组中相邻元素从前往后依次进行比较，如果前一个元素比后一个元素大，则交换，一趟下来后最大元素就在数组的末尾
- 依次重复上述过程，直到数组中所有的元素都排列好
代码示例：
public class Test {
/*冒泡排序*/
public static void main(String[] args) {
int[] array = {1,25,7,3,15};
System.out.println("排序前：" + Arrays.toString(array));
bubbleSort(array);
System.out.println("排序后：" +Arrays.toString(array));
}
public static void bubbleSort(int[] arr) {
for (int i = 0;i < arr.length - 1;i++) {
for (int j = 1;j <= arr.length - i - 1;j++) {
if (arr[j-1] > arr[j]) {
int temp = arr[j];
arr[j] = arr[j-1];
arr[j-1] = temp;
}
}
}
}
}
//执行结果
排序前：[1, 25, 7, 3, 15]
排序后：[1, 3, 7, 15, 25]
针对排序，Java也提供了内置的排序算法Arrays.sort()
public static void main(String[] args) {
int[] arr = {1,25,7,3,15};
System.out.println("排序前：" + Arrays.toString(array));
Arrays.sort(arr);
System.out.println("排序后：" +Arrays.toString(array));
}
//执行结果
排序前：[1, 25, 7, 3, 15]
排序后：[1, 3, 7, 15, 25]
