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数组的定义与使用

1. 数组的基本概念
- 1.1 为什么要使用数组
- 1.2 什么是数组
- 1.3 数组的创建及初始化
- - 1.3.1 数组的创建
  - 1.3.2 数组的初始化
- 1.4 数组的使用
- - 1.4.1 数组中元素访问
  - 1.4.2 遍历数组
2. 数组是引用类型
- 2.1 初始JVM的内存分布
- 2.2 基本类型变量与引用类型变量的区别
- 2.3 再谈引用变量
- 2.4 认识 null
3. 数组的应用场景
- 3.1 保存数据
- 3.2 作为函数的参数
- 3.3 作为函数的返回值
4. 数组练习
- 4.1 数组转字符串
- 4.2 数组拷贝
- 4.3 求数组中元素的平均值
- 4.4 查找数组中指定元素(顺序查找)
- 4.5 查找数组中指定元素(二分查找)
- 4.6 数组排序(冒泡排序)
- 4.7 数组逆序
5. 二维数组

【本篇目标】

理解数组基本概念
掌握数组的基本用法
数组与方法互操作
熟练掌握数组相关的常见问题和代码

1. 数组的基本概念

1.1 为什么要使用数组

假设现在要存5个学生的javaSE考试成绩，并对其进行输出，按照之前掌握的知识点，我么会写出如下代码：

public class TestStudent{public static void main(String[] args){int score1 = 70;int score2 = 80;int score3 = 85;int score4 = 60;int score5 = 90;System.out.println(score1);System.out.println(score2);System.out.println(score3);System.out.println(score4);System.out.println(score5);}
}

上述代码没有任何问题，但不好的是：如果有20名同学成绩呢，需要创建20个变量吗？有100个学生的成绩那不得要创建100个变量。仔细观察这些学生成绩发现：所有成绩的类型都是相同的，那Java中存在可以存储相同类型多个数据的类型吗？这就是本节要将的数组。

1.2 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：
在这里插入图片描述
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。

那在程序中如何创建数组呢？

1.3 数组的创建及初始化

1.3.1 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

1.3.2 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。

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];

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
语法格式： 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", "!!!"};

数组也可以按照如下C语言个数创建，不推荐

/*
该种定义方式不太友好，容易造成数组的类型就是int的误解
[]如果在类型之后，就表示数组类型，因此int[]结合在一块写意思更清晰
*/
int arr[] = {1, 2, 3};

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
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：
在这里插入图片描述
如果数组中存储元素类型为引用类型，默认值为null

1.4 数组的使用

1.4.1 数组中元素访问

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。比如：

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。

int[] array = {1, 2, 3};
System.out.println(array[3]); // 数组中只有3个元素，下标一次为：0 1 2，array[3]下标越界
// 执行结果
Exception in thread "main" java.lang.ArrayIndexOutOfBoundsException: 100
at Test.main(Test.java:4)

抛出了 java.lang.ArrayIndexOutOfBoundsException 异常. 使用数组一定要下标谨防越界.

1.4.2 遍历数组

所谓 “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：

如果数组中增加了一个元素，就需要增加一条打印语句
如果输入中有100个元素，就需要写100个打印语句
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]);
}

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 是 for 循环的另外一种使用方式. 能够更方便的完成对数组的遍历. 可以避免循环条件和更新语句写错.

2. 数组是引用类型

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数据的。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：
在这里插入图片描述
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
现在我们只简单关心堆和虚拟机栈这两块空间，后序JVM中还会更详细介绍。

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；
而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。
在这里插入图片描述
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。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。

2.3 再谈引用变量

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]);}
}

在这里插入图片描述

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]);
// 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.

3. 数组的应用场景

3.1 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] + " ");}
}

3.2 作为函数的参数

1.参数传基本数据类型

public static void main(String[] args) {int num = 0;func(num);System.out.println("num = " + num);
}
public static void func(int x) {x = 10;System.out.println("x = " + x);
}
// 执行结果
x = 10
num = 0

发现在func方法中修改形参 x 的值, 不影响实参的 num 值.
2.参数传数组类型(引用数据类型)

public static void main(String[] args) {int[] arr = {1, 2, 3};func(arr);System.out.println("arr[0] = " + arr[0]);
}
public static void func(int[] a) {a[0] = 10;System.out.println("a[0] = " + a[0]);
}
// 执行结果
a[0] = 10
arr[0] = 10

发现在func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).

3.3 作为函数的返回值

比如：获取斐波那契数列的前N项

public class TestArray {public static int[] fib(int n){if(n <= 0){return null;}int[] array = new int[n];array[0] = array[1] = 1;for(int i = 2; i < n; ++i){array[i] = array[i-1] + array[i-2];}return array;}public static void main(String[] args) {int[] array = fib(10);for (int i = 0; i < array.length; i++) {System.out.println(array[i]);}}
}

4. 数组练习

4.1 数组转字符串

代码示例

import java.util.Arrays
int[] arr = {1,2,3,4,5,6};
String newArr = Arrays.toString(arr);
System.out.println(newArr);
// 执行结果
[1, 2, 3, 4, 5, 6]

使用这个方法后续打印数组就更方便一些.
Java 中提供了 java.util.Arrays 包, 其中包含了一些操作数组的常用方法

4.2 数组拷贝

代码示例

import java.util.Arrays;
public static void func(){
// newArr和arr引用的是同一个数组
// 因此newArr修改空间中内容之后，arr也可以看到修改的结果
int[] arr = {1,2,3,4,5,6};
int[] newArr = arr;
newArr[0] = 10;
System.out.println("newArr: " + Arrays.toString(arr));
// 使用Arrays中copyOf方法完成数组的拷贝：
// copyOf方法在进行数组拷贝时，创建了一个新的数组
// arr和newArr引用的不是同一个数组
arr[0] = 1;
newArr = Arrays.copyOf(arr, arr.length);
System.out.println("newArr: " + Arrays.toString(newArr));
// 因为arr修改其引用数组中内容时，对newArr没有任何影响
arr[0] = 10;
System.out.println("arr: " + Arrays.toString(arr));
System.out.println("newArr: " + Arrays.toString(newArr));
// 拷贝某个范围.
int[] newArr2 = Arrays.copyOfRange(arr, 2, 4);
System.out.println("newArr2: " + Arrays.toString(newArr2));
}

在这里插入图片描述

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，关于深浅拷贝在后续详细给大家介绍。
实现自己版本的拷贝数组

public static int[] copyOf(int[] arr) {int[] ret = new int[arr.length];for (int i = 0; i < arr.length; i++) {ret[i] = arr[i];}return ret;
}

4.3 求数组中元素的平均值

给定一个整型数组, 求平均值
代码示例

public static void main(String[] args) {int[] arr = {1,2,3,4,5,6};System.out.println(avg(arr));
}
public static double avg(int[] arr) {int sum = 0;for (int x : arr) {sum += x;}return (double)sum / (double)arr.length;
}
// 执行结果
3.5

4.4 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 static void main(String[] args) {int[] arr = {1,2,3,10,5,6};System.out.println(find(arr, 10));
}
public static int find(int[] arr, int data) {for (int i = 0; i < arr.length; i++) {if (arr[i] == data) {return i;}}return -1; // 表示没有找到
}
// 执行结果
3

4.5 查找数组中指定元素(二分查找)

针对有序数组, 可以使用更高效的二分查找.

啥叫有序数组?
有序分为 “升序” 和 “降序”
如 1 2 3 4 , 依次递增即为升序.
如 4 3 2 1 , 依次递减即为降序.

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
代码示例

public static void main(String[] args) {int[] arr = {1,2,3,4,5,6};System.out.println(binarySearch(arr, 6));
}
public static int binarySearch(int[] arr, int toFind) {int left = 0;int right = arr.length - 1;while (left <= right) {int mid = (left + right) / 2;if (toFind < arr[mid]) {// 去左侧区间找right = mid - 1;} else if (toFind > arr[mid]) {// 去右侧区间找left = mid + 1;} else {// 相等, 说明找到了return mid;}}// 循环结束, 说明没找到return -1;
}
// 执行结果
5

可以看到, 针对一个长度为 10000 个元素的数组查找, 二分查找只需要循环 14 次就能完成查找. 随着数组元素个数越多, 二分的优势就越大.

4.6 数组排序(冒泡排序)

给定一个数组, 让数组升序 (降序) 排序.
算法思路
假设排升序：

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
依次从上上述过程，直到数组中所有的元素都排列好

代码示例

public static void main(String[] args) {int[] arr = {9, 5, 2, 7};bubbleSort(arr);System.out.println(Arrays.toString(arr));
}
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;}}} // end for
} // end bubbleSort
// 执行结果
[2, 5, 7, 9]

冒泡排序性能较低. Java 中内置了更高效的排序算法

public static void main(String[] args) {
int[] arr = {9, 5, 2, 7};
Arrays.sort(arr);
System.out.println(Arrays.toString(arr));
}

关于 Arrays.sort 的具体实现算法, 我们在后面的排序算法课上再详细介绍. 到时候我们会介绍很多种常见排序算法.

4.7 数组逆序

给定一个数组, 将里面的元素逆序排列.
思路
设定两个下标, 分别指向第一个元素和最后一个元素. 交换两个位置的元素.
然后让前一个下标自增, 后一个下标自减, 循环继续即可.
代码示例

public static void main(String[] args) {int[] arr = {1, 2, 3, 4};reverse(arr);System.out.println(Arrays.toString(arr));
}
public static void reverse(int[] arr) {int left = 0;int right = arr.length - 1;while (left < right) {int tmp = arr[left];arr[left] = arr[right];arr[right] = tmp;left++;right--;}
}

5. 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.
基本语法

数据类型[][] 数组名称 = new 数据类型 [行数][列数] { 初始化数据 };

代码示例

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, 因此我们不再赘述.
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