JAVA学习 第五章 数组的定义与使用

一、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。在内存中是一段连续的空间。可以把数组看成现实中的车位：

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：

1. 数组中存放的元素其类型相同
2. 数组的空间是连在一起的
3. 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。

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

例如：

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：

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", "!!!"};

4. 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};

5. 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：

类型	默认值
byte	0
short	0
int	0
long	0
flaot	0.0f
double	0.0
char	/u0000
boolea	false

如果数组中存储元素类型为引用类型，默认值为null

1.3 数组的使用

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：

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. 使用数组一定要下标谨防越界.

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 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：

1. 程序运行时代码需要加载到内存
2. 程序运行产生的中间数据要存放在内存
3. 程序中的常量也要保存
4. 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
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。

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 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]);
	}
} 

1. 创建数组array1，没有给数组元素设置初始值，因此每个位置都是O

2. 通过下标的方式将数组中每个元素修改成10、20、30

3. 创建数组arra2，并将其中元素设置为1、2、3、4、54.通过下标方式将数组中前两个元素设置为100、200
   

4. array1=array2，即让array1去引用array2引用的数组的空间，此时array1和array2实际是一个数组

5. 通过array1将数组2和3号位置元素修改为300、400，此时array2也也能看到数组中修改的结果，因为array1和array2引用的是同一个数组

6. 通过array2将数组4号位置元素修改为500，此时array1也能看到数组中修改的结果，因为array1和array2引用的是同一个数组

7. 通过array2对数组中元素进行打印，输出100、200、300、400、500

8. arrary2原本的堆上的内存在没有被受到指向之后会被系统自动回收

2.4 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 保存参数

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

这时候可以利用数组类型（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数组转换字符串

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]

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));
}

4.3 求数组中元素的平均值

给定一个整型数组, 求平均值

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

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.

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