Java数组的定义和使用（万字详解）

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一. 数组的基本概念

1、什么是数组

2、数组的创建及初始化

1、数组的创建

2、数组的初始化

3、数组的使用

（1）数组中元素访问

（3）遍历数组

 二、数组是引用类型

1、初始JVM的内存分布

2、基本类型变量与引用类型变量的区别

 3、再谈引用变量

 4、认识 null

三、数组的应用场景

1、保存数据

2、作为函数的参数

（1）参数传基本数据类型

（2）参数传数组类型(引用数据类型)

四、数组练习

1、数组转字符串

2、数组拷贝

3、求数组中元素的平均值

4、查找数组中指定元素(顺序查找)

5、查找数组中指定元素(二分查找)

6、数组排序(冒泡排序)

7、数组逆序

五、二维数组

1、二维数组的本质

2、遍历数组

 3、不规则二维数组

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一. 数组的基本概念

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，又或者是梯子：

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。

那么我们现在来看一下在Java中如何实现数组的创建

2、数组的创建及初始化

1、数组的创建

        在之前的C语言的学习过程中，我们采用的是下面的这种方法来创建的数组：

int arr[] = {1,2,3,4,5};

在Java中，我们也可以采用和C中同样的方法来创建数组，这是被编译器所允许的，但是在实际的操作中，我们并不推荐用这种方法来创建数组，这是因为：

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

那么在Java中，我们该使用什么方法来创建数组呢？

在Java中，数组的创建方式是这样的：

T[] 数组名 = new T[N];

接下来，我们来看一下创建格式中的字符代表的意义：

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

 接下来，我们尝试用这种方法创建几个数组：

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

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。

那么动态初始化和静态初始化之间有什么区别呢？

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};

现在，让我们学以致用，尝试用静态初始化来完成数组的初始化：

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", "!!!"};

此外，在初始化数组的时候，我们要注意以下注意事项：

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[]。

现在，我们来思考一个问题：当我们想用下面的方法来将数组进行整体的初始化的时候，这段代码是否会报错呢?

    int[] arry = new int[5];arry = {1,2,3,4,5};

答案是：这段代码是错误的！！

这是因为在Java中如果想要将代码整体初始化的时候，必须且只能在定义的时候初始化，否则编译器便会进行报错！

但是如果只是对某个特定下标的元素进行初始化，那么是可以直接进行的，例如：

    int[] arry = new int[5];arry [2] = 4;

 因此，当我们想要实现数组整体的初始化的时候，只能使用下面的这几种代码来实现;

    int[] arry = {1,2,3,4,5};
//或者int[] arry;arry = new int[]{1,2,3,4,5};

现在，我们来思考一下，如果数组尚未进行初始化，那么数组中的元素储存的是什么呢?

我们用下面这几行未被初始化的代码来试验;

  int[] arry = new int[5];for (int x : arry) {System.out.print(x+" ");}

运行结果如下图所示：

通过这个小实验，我们可以得知：如果没有对数组进行初始化，数组中元素有其默认值

对于不同的数据类型，其数组中元素的默认值也是不一样的

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

3、数组的使用

（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。

 我们可以通过下面这个数组超标的例子来进行观察：

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

运行结果：

 因此使用数组一定要下标谨防越界

（3）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]);
}

接下来，我们来学习一下Java中打印数组元素的三种方法;

第一种：使用循环来打印

int[]array = new int[]{10, 20, 30, 40, 50};
for(int i = 0; i < array.length; i++){
System.out.println(array[i]);
}

运行结果;

在数组中可以通过 数组对象.length 来获取数组的长度

第二种：使用 for-each 遍历数组

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

运行结果：

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.

第三种：Java自带的方法

    int[] array = {1,2,3,4,5};System.out.println(Arrays.toString(array));

运行结果：

 java帮你实现了一个打印数组的方法 ： 将数组里面的值 以字符串的形式组织一下然后进行打印

 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，因此JVM也对所使用的内存按照功能的不同进行了划分：

 这里我们要注意到的是：JVM的底层代码是由C和C++编写的，因此本地方法栈存储的主要是这些底层代码的内存

那么图中的各个区域又分别有哪些功能呢？

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、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。

 3、再谈引用变量

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]);
}
}

我们可以用几幅图来进一步理解：

 

 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.

我们来看这么一段错误的代码：

int[] arr = null;
System.out.println(arr[0]);

 在这段代码报错中的.NullPointerException 是“空指针异常”的意思，但是注意：此指针非彼指针，这里的指针指的并不是我们在C语言中认识的指针，而是因为英文翻译的原因所以称为指针。

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.

三、数组的应用场景

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] + " ");
}
}

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

发现在func方法中修改形参 x 的值, 不影响实参的 num 值.

（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]);
}
// 执行结果
a[0] = 10
arr[0] = 10

我们可以将这段代码理解为：将数组arr作为参数传入方法中，此时方法内部的形参和数组arr指向了同一片地址，并通过形参对这个数组的数据进行操作，最终对下标为0的数进行赋值

我们可以发现在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).

四、数组练习

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

2、数组拷贝

第一种：

// 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));

我们可以用下面这个图片来进行理解;

此时，两个数组引用的数组元素一致

第二种：

// 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))

 

使用Arrays中的copyOf方法来完成堆数组元素的拷贝，其中括号内包含两个部分，第一个部分为被拷贝的数组名，第二个元素为数组长度，我们可以将其理解为，此时两个数组引用的数组内容不同

第三种：

// 拷贝某个范围.
int[] newArr2 = Arrays.copyOfRange(arr, 2, 4);
System.out.println("newArr2: " + Arrays.toString(newArr2));

有时候，我们在拷贝数组的时候，不想拷贝整个完整的数组，只想拷贝数组中的某一小部分，这个时候，我们便可以使用Java中的copyOfRange来完成这一系列操作

注意：在Java中表示范围的时候一般都是左闭右开

在这段代码copyOfRange括号内的2，4这个范围表示的就是 [2，4）,也就是我们在数学中常说到的左闭右开

第四种：

除了使用Java中已有的方法来实现拷贝数组，我们也可以创建一个自己的方法来完成这个操作

代码如下：

   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;}

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

3、求数组中元素的平均值

给定一个整型数组, 求平均值

代码示例：

    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

4、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.

代码示例 ：

    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

5、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.

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

那么接下来，我们来看一下二分查找的代码实现：

public class Test {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, 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.、

当我们对有n个元素的数组进行查找的时候，普通的查找方法最多需要n次，而二分查找最多只需要次，大大节省了代码的运行时间，提高代码的效率

6、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

代码示例： 

   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));}

7、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.

代码示例： 

    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--;}}

五、二维数组

1、二维数组的本质

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 }; 

int[][] arr ={{1,2,3},{4,5,6}};

 这里，我们要注意的是：在Java中，二维数组的定义可以省略列，但是不可以省略行！！！

例如：

//错误的写法：
int arr[] = new int[][3];//正确的写法：
int arr[] = new int[2][];

我们在开头就说过，二维数组的本质就是特殊的一维数组，接下来我们来看看这样说的原因：

public class Test {public static void main(String[] args) {int[][] arr ={{1,2,3},{4,5,6}};System.out.println(arr[0]);System.out.println(arr[1]);}
}

这段代码的运行结果是这个样子的：

 那么这个运行结果到底是什么意思呢?我们先来看一下二维数组的本质：

我们可以将二维数组的行下标看成一个个的一维数组，而列下标也看成一个个的一维数组，此时行下标所对应的一维数组存放的便是列下标对应的一维数组的地址，也就是说，我们可以通过行下标来引用列下标中对应的元素

为了验证这一猜想，我们可以来计算一下二维数组的长度：

        int[][] array1 ={{1,2,3},{4,5,6}};System.out.println(array1.length);//行的长度System.out.println(array1[1].length);//每一列的长度

 这段代码的运算结果如下：

由此可知，我们的猜想是正确的

2、遍历数组

那么在Java中如何将一个二维数组打印出来呢？

 第一种：

    public static void main(String[] args) {int[][] arr = {{1,2,3},{4,5,6}};for(int[] x:arr){for(int y:x){System.out.println(y);}}}

与一维数组中类似，连续使用两个for-each循环便可

第二种：

    public static void main(String[] args) {int[][] arr = {{1,2,3},{4,5,6}};System.out.println(Arrays.deepToString(arr));}

运行结果如下：

 3、不规则二维数组

        在Java中，是允许不规则数组的存在，我们一般将每一行列数不一样的数组称为不规则的二维数组

public class Test {public static void main(String[] args) {int[][] arr = new int[2][];arr[1] = new int[3];arr[0] = new int[5];System.out.println(Arrays.deepToString(arr));}
}

这段代码的运行结果为：

我们可以发现，第一行有五个元素，但是第二行只有三个元素，类似于此的二维数组是可以在Java中存在的。

二维数组的用法和一维数组并没有明显差别, 因此我们不再赘述.

同理, 还存在 "三维数组", "四维数组" 等更复杂的数组, 只不过出现频率都很低.

OVER！