数组的定义与使用

1. 数组的基本概念

1.1 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。

1.2 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

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。

1. 动态初始化：在创建数组时，直接指定数组中元素的个数
语法格式：

T[] 数组名称 =new int[数组长度];

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】

• 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语言方式创建，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};//不推荐

• 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引用类型，默认值为null
  • 如果数组中存储元素类型为基本类型，默认值为基类类型对应的默认值，如下表所示：

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。
比如：

int[]array = new int[]{10, 20, 30};
System.out.println(array[0]);
System.out.println(array[1]);
System.out.println(array[2]);
 
// 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：

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。

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]);
}

使用 for-each 遍历数组,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.

int[] array = {1, 2, 3};
for (int x : array) {
    System.out.println(x);
}

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：

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

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（内置类型是指任何语言在设计初期定义的类型，如c语言中的int, double, char… ）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]);
   }
}

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

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. 数组提供的方法

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)); }

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 };

遍历二维数组：

 //for循环遍历
  for (int i = 0; i < arr1.length; i++) {
            for (int j = 0; j < arr1[i].length; j++) {
                System.out.print(arr1[i][j] + " ");
            }
        }
        System.out.println();
//foreach遍历
        for (int[] temp : arr1) {
            for (int x : temp) {
                System.out.print(x + " ");
            }
        }

        System.out.println();
//Arrays中提供的方法打印二维数组
        System.out.println(Arrays.deepToString(arr1));