【JAVASE】学习数组的定义与使用

news2024/10/5 21:07:39
✅作者简介：大家好，我是橘橙黄又青，一个想要与大家共同进步的男人😉😉
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目标：
1. 理解数组基本概念
2. 掌握数组的基本用法
3. 数组与方法互操作
4. 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 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：
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。

1.3 数组的创建及初始化

 1.3.1 数组的创建 

T[] 数组名 = new T[N];

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
比如：

【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new T[]。

如：

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", "!!!"};

 注意：虽然省去了new T[], 但是编译器编译代码时还是会还原 。

如果没有对数组进行初始化，数组中元素有其默认值
我们调试一下看看

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，默认值如下：

总的来说，数组的常见3钟创建方式：

 

类型
默认值
byte
0
short
0
int
0
long
0
float
0.0f
double
0.0
char
/u0000
boolean
false

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，和c语言是一样的。

 

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：
最为常见的一种： 
int[]array = new int[]{10, 20, 30, 40, 50};
for(int i = 0; i < 5; i++){
    System.out.println(array[i]);
}
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
注意：在数组中可以通过 数组对象.length 来获取数组的长度
案例： 
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
代码： 
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 .
原理是：
把array的一个元素放入x，输出后又把array的第二个数据放入x输出，重复此操作，一直到把array的所有数据输出完为止。

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：
问题：
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。比如：
此 JVM 也对所使用的内存按照功能的不同进行了划分：
  1. 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.
  2. 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。
  3. 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
  4. 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。
  5. 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

现在我们来解决一下变量和数组在内存的存储情况：

这里说的栈是 虚拟机栈

了解一下：

 

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。

 深入了解：

public static void func() {
    int a = 10;
    int b = 20;
    int[] arr = new int[]{1,2,3};
}

， 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 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.

案例：

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.

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);
}
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]);
}
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。
优点：
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

案例：

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（有关数组的快速操作）

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： 
// 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));

但是本质上不是拷贝，是把指向arr的地址给了newArr。

图解：

 copyOf方法在进行数组拷贝时，创建了一个新的数组Arrays.copyOf

import java.util.Arrays;
public static void func(){
    // 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));
}

也就是说：Arrays中copyOf方法完成数组的拷贝是开辟了和arr相同的空间来拷贝arr，最后把开辟的拷贝数组空间给到了newArr。

还有如果：拷贝数组的两倍，会把数组扩大两倍

拷贝某个范围.Arrays.copyOfRange

import java.util.Arrays;
public static void func(){
    // 拷贝某个范围.
    int[] arr = {1,2,3,4,5,6};
    int[] newArr = NULL;
    int[] newArr2 = Arrays.copyOfRange(arr, 2, 4);
    System.out.println("newArr2: " + Arrays.toString(newArr2));
}

图解：

输出结果：

同理这里也是一样，如果我们超出数组长度又怎么样呢？

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 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.

思路：

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： 

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;
}

4.4 数组排序(冒泡排序)

给定一个数组 , 让数组升序 ( 降序 ) 排序 .
思路：
  1. 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。

代码：

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

 冒泡排序性能较低. Java 中内置了更高效的排序算法

代码：

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

  Arrays.sort会自动帮你快速排序。

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

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--;
    }
}

拓展：

填充数组函数 Arrays.fill

代码：

public static void main(String[] args) {
        int[] array = new int[10];
        Arrays.fill(array, 99);
        System.out.println(Arrays.toString(array));
    }

}

 把array数组填充为99

也可以部分填充

代码：

public static void main(String[] args) {
        int[] array = new int[10];
        Arrays.fill(array, 1,5,99);
        System.out.println(Arrays.toString(array));
    }

}

输出结果：

好啦今天就到这里了，感谢观看。

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