【java】数组的定义与使用

一、数组的基本概念

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，我们会写出如下代码：

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);
	}
}
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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？这就是本文章要讲的数组。

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，起始位置的编号为0，即数组的下标。

那在程序中如何创建数组呢？

3. 数组的创建及初始化

3.1 数组的创建

T[] 数组名 = new T[N];
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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
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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。

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];
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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", "!!!"};
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【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", "!!!"};
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• 数组也可以按照如下C语言格式创建，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};
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• 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};
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• 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本类型，默认值为基本类型对应的默认值，比如：

如果数组中存储元素类型为引用类型，默认值为null。

4. 数组的使用

4.1 数组中元素的访问

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]);
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【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)
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抛出了java.lang.ArrayIndexOutOfBoundsException 异常. 使用数组一定要下标谨防越界。

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]);
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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]);
}
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改成循环之后，上述问题2和问题3可以解决，但是无法解决问题1，那能否获取到数组的长度呢？
在数组中可以通过数组名.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]);
}
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也可以使用for-each遍历数组

int[] array = {1, 2, 3};
for (int x : array) {
	System.out.println(x);
}
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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。
注意: 使用for-each是无法获取到对应的下标的。

二、数组是引用类型

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。比如：

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、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): 本地方法栈会执行由C或C++代码实现的一些方法。
• 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. 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};
}
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在上述代码中，a、b、arr，都是方法内部的变量，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。

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。

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)
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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异常。
注意： Java 中并没有约定null和0号地址的内存有任何关联。

三、数组练习

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]
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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。

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));
//System.arraycopy也是拷贝，第一个参数是要拷贝的原数组，第二个参数是原数组的下标位置
//第三个参数是目标数组，第四个参数是目标数组的下标位置，第五个参数是要拷贝的长度
System.arraycopy(arr,3,newArr,1,3);
System.out.println(Arrays.toString(arr));
}
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int[] newArr = arr;会让newArr引用指向arr引用所指向的对象，此时两个引用指向同一个对象，无论使用哪个引用都可以访问和操作对象。

newArr = Arrays.copyOf(arr, arr.length); 中copyOf方法会给newArr重新申请一块内存空间并把原来数组里的内容拷贝到新数组里，见上图。

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。
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。

这里就不带着大家具体实现了，有想法的可以自己尝试实践一下，下面直接使用java类方法。
代码示例:

//类方法实现二分查找
public static void main2(String[] args) {
	int[]array={1,3,5,7,9,11,13,15};
	//使用类方法Arrays.binarySearch实现二分查找
	System.out.println(Arrays.binarySearch(array,19));//找到返回当前数字下标，找不到就返回负数
	//在一定范围内查找，第二个参数为起始下标位置
	//第三个参数为目的地下标位置(查找范围不包含目的地下标的位置)，第四个参数为要查找的数字
	System.out.println(Arrays.binarySearch(array,0,4,1));
	//还可以查找float,double,byte,char,short,long等类型的数据
}
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4. 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. 依次重复上述过程，直到数组中所有的元素都排列好。

想实现的可以自己动手尝试一下，冒泡排序性能较低，Java中内置了更高效的排序算法，这里我们直接使用类方法。

//二分查找
public static void main(String[] args) {
	int[]arr={1,6,3,5,7,4,9,2,8};//排序前的数组
	Arrays.sort(arr);//使用sort方法进行排序,默认是从小到大排序的
	System.out.println(Arrays.toString(arr));//排序后的数组
	if(ret>=0)
	System.out.println("下标为："+ret);
	else
	System.out.println("找不到");
}
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四、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 };
//二维数组的定义，三种方式
int[][]array={{1,2,3},{4,5,6}};
int[][]arr1=new int[2][];//二维数组可以省略列，但不能省略行
int[][]arr2=new int[][]{{1,2,3},{4,5,6}};
System.out.println(array.length);//数组行数
System.out.println(array[0].length);//数组列数
System.out.println(array[1].length);//数组列数
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遍历二维数组有三种方法：

import java.util.Arrays;//导入包
public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        int[][]array={{1,2,3},{4,5,6}};
		//遍历二维数组，三种方法
        //第一种方法
        for (int i = 0; i < array.length; i++) {
            for (int j = 0; j < array[i].length; j++) {
                System.out.print(array[i][j]+" ");
            }
            System.out.println();
        }
        System.out.println("=====");
        //第二种方法：for each
        for(int[]tmp:array){//左边是数组的每个元素，右边是数组名
            for (int x:tmp) {
                System.out.print(x+" ");
            }
            System.out.println();
        }
        System.out.println("=====");
        //第三种方法，使用类方法
        String ret=Arrays.deepToString(array);
        System.out.println(ret);
    }
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本期就先介绍到这里啦，下期见哟！❤️