【Java】数组的定义和使用

目录

1.数组的基本概念 

         1.1什么是数组

1.2数组的创建及初始化

1.2.1数组的创建

1.2.2数组的初始化

1.3数组的基本使用

1.3.1数组的基本使用

1.3.2遍历数组

2.数组是引用类型

2.1基本类型变量与引用类型变量的区别

2.2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. 操作数据工具类Arrays与数组练习

4.1数组转字符串

4.2数组拷贝

4.3查找数组中指定元素

4.3.1顺序查找

4.3.2二分查找

4.4数组排序（冒泡排序）

4.5数组逆序

5.二维数组

5.1普通的二维数组

5.2不规则的二维数组

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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。在内存中是一段连续的空间，每个空间有自己的编号，起始位置的编号为0，即数组的下标。了解了什么是数组之后，那么我们该如何创建一个数组呢？

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：表⽰数组的⻓度

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 double[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以及静态初始化。

1.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];

2. 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】

1.  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。
2.   静态初始化时,{}中数据类型必须与[]前数据类型⼀致。
3.   静态初始化可以简写，省去后面的newT[]，但是编译器编译代码时还是会还原
4. 静态和动态初始化也可以分为两步，但是省略格式不可以。注意省略格式不可以拆分, 否则编译失败，这种方式只能在定义的同时初始化 

   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，这种⽅式只能在定义的同时初始化 
   // 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：

如果数组中存储元素类型为引用类型，默认值为null 

String[] words = new String[3];

1.3数组的基本使用

1.3.1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】

1. 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
2. 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.使用数组⼀定要注意下标的访
问谨防越界.

1.3.2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：
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]);
}

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 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。

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。

2.2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

参数传基本数据类型

ublic 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. 

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. 操作数据⼯具类Arrays与数组练习
4.1 数组转字符串

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 

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⽅法完成数组的拷⻉： 
 // copyOf⽅法在进⾏数组拷⻉时，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));
 
 // 拷⻉某个范围. 
 int[] newArr2 = Arrays.copyOfRange(arr, 2, 4);
System.out.println("newArr2: " + Arrays.toString(newArr2));
}

4.3 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.

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

4.4 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

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

 4.5 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：
1. 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
2. 依次从上上述过程，直到数组中所有的元素都排列好

我们可以通过一个动图形象地描述冒泡排序： 

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));
}

4.6 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.

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

5.1 普通的二维数组
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 };

行不可以省略，列可以省略

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

1.  ⼆维数组是特殊的⼀维数组，⼀维数组的每个元素又是⼀个数组
2.  arr.length代表⼆维数组的行数
3.  arr[row].length代表⼆维数组的列数

5.2 不规则的⼆维数组
不规则的⼆维数组指的是，⼆维数组的列在定义的时候，没有确定。 

int[][] array = new int[2][];
array[0] = new int[3];
array[1] = new int[5];

上述⼆维数组就不是⼀个规则的二维数组。第1行有3列，第2行有5列。