代码收藏家技术教程 2024-11-08

Java：数组的定义和使用（万字解析）

1. 数组的概念

2. 数组的基础知识

2.1 数组的创建

\1. 基础创建格式：

\2. 类似C语言的创建格式：

【错误的创建(初始化)格式】

2.2 数组的数据类型

2.3 数组的初始化 —— 两种方式

\1.动态初始化：(完全默认初始化)

\2. 静态初始化：

【注意事项】

3. 数组的使用

3.1 数组元素的下标访问

3.2 计算数组长度

3.3 循环遍历数组的2种方式

\1. for语句

\2. for – each语句

【两种遍历方式的区别】

4. 数组是引用类型（内存空间的底层知识）

4.1 JVM的内存区域划分

4.2 内存分配：基础类型的变量和引用类型的变量

4.3 数组大小可变吗？

4.4 “数组1 = 数组2”会发生什么？

4.5 空引用null

5. 数组与方法

5.1 数组作为方法参数

5.2 数组作为方法返回类型

6. Arrays的一些实用工具方法

6.1 数组转字符串

6.2 数组的拷贝

6.3 数组的排序

6.4 二分查找指定元素

6.5 判断两个数组是否相等

6.6 填充数组元素

1. 数组的概念

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。

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。

2. 数组的基础知识

首先要明确一点，数组在Java中属于引用类型，引用类型变量的创建都需要new出来。

2.1 数组的创建

\1. 基础创建格式：

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 String[3]; // 创建一个可以容纳3个字符串元素的数组

数组的创建也可以类似C语言那样，把方括号[]写在变量名的右边。

\2. 类似C语言的创建格式：

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 String[3]; // 创建一个可以容纳3个字符串元素的数组

【错误的创建(初始化)格式】

没有new一个数组对象。

将数组长度的定义写在了第一个方括号[ ]里面。

例如：

2.2 数组的数据类型

注意：java中数组的数据类型是T[]，而不是T[n]。

【在C语言中，数组的数据类型是T[n]】

比如现在有1个元素个数为3的整型数组“int[] arr = new int[3]”，那么该数组arr的数据类型是int[ ]，而不是int[3]。

2.3 数组的初始化 —— 两种方式

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：(完全默认初始化)

在创建数组时，直接指定数组中元素的个数N。创建后，从0到N-1的数组元素都被默认初始化。

语法格式：T[ ] 数组名 = new T[N];

例如：int[] array = new int[10];

如果数组中存储元素类型为基础类型，默认值为基础数据类型对应的默认值，比如：

\u 是用来表示Unicode转义字符的前缀。它的格式为 \u 后面跟着四个十六进制数字，用于表示一个特定的Unicode字符。

例如：\u0041 表示字符 A，因为 0041 是 A 的Unicode编码。

如果数组中存储元素类型为引用类型，默认值为null

\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。

(完全格式)语法格式①：T[ ] 数组名 = new T[ ]{data1, data2, data3, …, datan}; (左边也可以写成“T 数组名[ ]”)

(省略格式)语法格式②：T[ ] 数组名 = {data1, data2, data3, …, datan}; (左边也可以写成“T 数组名[ ]”)

【这写法类似C语言的数组完全初始化，虽然看上去省去了new T[ ]，但是编译器编译代码时还是会还原】

例如：

格式1的静态初始化：

int[] array1 = new int[]{0,1,2,3,4,5,6,7,8,9};

String[] array3 = new String[]{"hell", "Java", "!!!"};

格式2的静态初始化：

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", "!!!"};

【注意事项】

1.静态和动态初始化也可以分为两步，但是省略格式不可以。【类似C语言的初始化格式不能分成两步，而且这在C语言中也是不可以的】
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};
2. 在使用省略格式的静态初始化时，浮点数数组不能用float[ ]类型接收，整数无限制。（所以不太建议使用省略格式）

3. 数组的初始化不能既是动态初始化，又是静态初始化。(同时也说明：Java中不能像C语言那样不完全初始化。)

这里既直接指定了数组的大小是5(动态初始化)，又用大括号来指定数组大小(静态初始化)，所以报错了。

3. 数组的使用

3.1 数组元素的下标访问

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]);

tips：在Java中，方括号 [] 确实用于访问数组中的元素，但它并不被称为“下标访问运算符”或者索引运算符。这与其他支持运算符重载的语言有所不同。Java将 [] 视为数组访问的直接语法，仅用于数组，并没有定义为运算符或允许重载。

【注意事项】

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。
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。（java.lang.ArrayIndexOutOfBoundsException异常代表数组越界访问）

3.2 计算数组长度

在数组中可以通过“ 数组对象.length ”来获取数组的长度。

例如：

输出：

为什么可以这样获得数组的长度？（简单了解）

我们注意到，我们用到了一个符号"."，这个符号是成员访问运算符，用法就类似C语言中的结构体。Java中的对象就类似C语言的结构体（但会多了很多复杂的语法，比如对象中可以有方法）

其实在Java中使用数组时，会自动导入“java.lang.reflect.Array”类。我们new的int[10]或String[4]等等，其实是new了(创建了)一个Array类型的对象。

而Array类中有一个成员变量length，它记录着数组的长度。【可以简单得理解为C语言中的顺序表】

3.3 循环遍历数组的2种方式

\1. for语句

这是最简单的方法，例如：

int[] arr = new int[10];
for(int i = 0; i < arr.length; i++){
    System.out.println(arr[i]);
}

\2. for – each语句

for-each 是 for 循环的另外一种使用方式。

语法格式：

for (元素类型变量名 : 数组名) {

// 循环体

}

“元素类型”是数组中元素的类型

“变量名”是在每次迭代中用来引用当前元素的变量

“数组名”是要遍历的数组。

注意：迭代变量与数组名之间有一个冒号“ : ”。

例如：

int[] arr = new int[10];
for(int x: arr){
    System.out.println(x);
}
arr数组中的每个元素都是int型，所以创建的变量x是int类型的。

第一次循环中，x等于arr[0]；第二次循环中，x等于arr[1]……以此类推。

【两种遍历方式的区别】

循环条件控制：

for语句中的循环条件由程序员编写，可以完成更复杂的要求，但也容易出错。

for-each语句不需要手动管理索引，使得代码的意图更加明确，减少了出错的可能性，但循环的条件不能手动改变。

元素访问方式：

for循环中通过访问数组下标会直接对数组元素进行操作。

for-each循环通过迭代变量间接访问数组元素，即使发生错误操作也不会改变原数组的数据。

4. 数组是引用类型（内存空间的底层知识）

4.1 JVM的内存区域划分

JVM对所使用的内存按照功能的不同进行了划分，主要分为5的区域：

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。（局部变量的存储、方法栈帧空间的开辟和销毁就在这里）

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。

堆区(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 ，堆是随着程序开始运行时而创建，随着程序的退出而销毁。在运行时，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。

补充一点：字节码是与平台无关的中间代码表示形式。字节码是Java平台核心特性之一，它的存在使得Java程序具备了高度的可移植性和灵活性。

4.2 内存分配：基础类型的变量和引用类型的变量

基本数据类型创建的变量，该变量空间中直接存放的是其所对应的数值；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。

例如：

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，都是函数内部的局部变量，因此其空间都在func方法对应的栈帧中分配。(即它们的空间在栈区上)

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，而数组的本体在堆区连续存放。

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。

4.3 数组大小可变吗？

先说结论：数组的大小是固定的，一旦创建无法改变其大小。

public static void main(String[] args) {
        int arr[] = new int[10];
        System.out.println(arr);
        arr = new int[5];
        System.out.println(arr);
    }

可以发现，虽然我们用new的方式把数组arr的大小从10改变成了5，但前后两次arr存储的地址值不同了。

这说明数组的大小是无法改变的，每次使用new时都会重新创建一个新的数组。

4.4 “数组1 = 数组2”会发生什么？

arr1 = arr2，相当于把arr2所引用的地址交给了arr1，所以现在arr1和arr2都指向了同一个数组。

arr1现在改变了引用的对象，如果arr1原来所引用的数组没有被其他引用变量引用，则系统会自动回收该堆上的空间。

【C语言中不支持“数组1 = 数组2”的语法】

例如：

public static void func() {
        int[] array1 = new int[]{10,20,30};
        int[] array2 = new int[]{1,2,3,4,5};

        int[] t = array1;
        array1 = array2;
        array2 = t;
        
        for(int x:array1){
            System.out.print(x+" ");
        }
        System.out.println();
        for (int x:array2){
            System.out.print(x+" ");
        }
    }

运行结果：

可以发现array1和array2所引用的对象成功被交换。

【注意事项】

在对象交换的过程中，数组array1、数组array2和临时变量 t 都必须是同类型的。(刚刚的例子中它们都是int[]类型的变量)

4.5 空引用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。

注意事项：

1. 当引用类型的变量没有new一个对象的时候，必须要赋值null。

2. null不能写成NULL，这是因为：

NULL是“ (void*)0 ”的宏定义，在Java中既没有宏定义的语法，也没有指针的语法。

5. 数组与方法

5.1 数组作为方法参数

数组作为方法参数时，形参数组要与实参数组的数组类型一致。

看一个例子：

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

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。

与C语言类似：数组作为参数传递的也是数组的地址。

但不同的是：

C语言中的形参数组是一个“伪数组”，本质上是一个指针变量，所以形参的类型可以用指针类型来代替；

而Java中的形参数组是一个“真数组”，本质上是数组类型的引用变量，所以形参的类型不能用其他引用类型来代替。

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)。

5.2 数组作为方法返回类型

数组作为返回值，一般都是在方法内部new了一个数组对象，然后返回该对象的地址。

例如：

 public static int[] makeIntArray(int n){
        int[] arr = new int[n];
        return arr;
    }

 public static void main(String[] args) {
        int[] array = makeIntArray(10);
    }

这种用法就类似C语言中，给顺序表中的数组用malloc函数或colloc函数创建数组一样。

6. Arrays的一些实用工具方法

Java为我们提供了一个专门处理数组的工具类Arrays，里面有一系列实用的方法。

【注意】我们本章使用的工具类是Arrays类，不是Array类：

数组类型：是Java语言的核心部分，没有特定的包路径。

Array类：位于 java.lang.reflect 包中，主要用于反射机制中的数组操作。

Arrays类：位于 java.util 包中，提供了更多实用的数组操作方法，适用于日常开发中的数组处理需求。

它们三者都是引用类型，前者是数组类型，后两者属于类类型；三者均无包含关系。

即使没有显式导入 Array 类，你仍然可以创建和操作数组，这是因为数组是Java语言的核心部分。

不过Arrays需要显式导入“import java.util.Arrays”。

6.1 数组转字符串

toString方法可以把数组的信息转换为字符串。

参数是要被转化数组

返回类型是字符串。

原数组的信息不会被修改。

例如：

public static void main(String[] args) {
        int[] arr = new int[]{1,2,3,4,5};
        String str = Arrays.toString(arr);//把数组转换为字符串，由字符串str接收
        //打印数组被转换后的结果
        System.out.println(str);
        //打印原数组
        for(int x: arr){
            System.out.print(x+" ");
        }
    }

输出结果：

模拟实现Arrays.toString

public static String myToString(int[] arr){
        String str = "[";
        for(int i = 0; i < arr.length; i++){
            str += arr[i];
            if(i != arr.length - 1){  //最后一个元素不要加逗号
                str += ",";
            }
        }
        str += "]";
        return str;
    }

public static void main(String[] args) {
        int[] arr1 = new int[]{1,2,3,4,5};
        String str = myToString(arr1);
        System.out.println(str);
    }

输出：

6.2 数组的拷贝

1. 两个参数的copyOf (数组名arr，拷贝长度N)：

在方法中新创建一个长度为N的数组，把arr中的数据拷贝到该方法中的数组，最后返回该数组的地址。

从序号0一直拷贝到下标N-1处。

如果长度N大于arr的大小，则用默认值填充。

public static void main(String[] args) {
        int[] arr1 = new int[]{1,2,3,4,5};
        int[] arr2 = Arrays.copyOf(arr1,7);
        
        for(int x: arr2){
            System.out.print(x+" ");
        }
    }

输出：

2. 三个参数的copyOfRange(数组名arr，整数1，整数2)：

使用方式与上面的方法类似，区别是该方法是范围拷贝。

拷贝范围是 [ 整数1，整数2 )。（左闭右开）

拷贝的范围如果超出arr数组的右边，则用用默认值填充。

例如：

public static void main(String[] args) {
        int[] arr1 = new int[]{1,2,3,4,5};
        int[] arr2 = Arrays.copyOfRange(arr1,3,7); //拷贝区间[3,7)
        
        for(int x: arr2){
            System.out.print(x+" ");
        }
    }

输出：

6.3 数组的排序

使用sort方法可以为数组排序

例如：

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

6.4 二分查找指定元素

1. 两个参数的binarySearch (数组名arr, 要查找的元素key)：

返回值是key所在的序号

如果找不到该元素，则会返回一个负数。

例如：

public static void main(String[] args) {
        int[] arr = {0,1,2,3,4,5,6,7,8,9};
        int pos = Arrays.binarySearch(arr,5);
        System.out.println("要查找的元素位于序号"+pos);
    }

二分查找方法的模拟

 public static int myBinarySearch(int[] arr, int key){
        int left = 0;
        int right = arr.length-1;
        while(left <= right) {  //如果left不能等于right的话，那么当key在最右边时，会误以为找不到该元素
            int mid = (left + right) / 2;
            if(arr[mid] > key){
                right = mid - 1;//此时要找的数据在mid左边，right变成mid-1,则区间[left,right]就位于mid左边了
            }else if(arr[mid] < key){
                left = mid + 1;//此时要找的数据在mid右边，left变成mid+1则区间[left,right]就位于mid右边了
            }else{
                return mid;
            }
        }
        return -1;
    }

public static void main(String[] args) {
        int[] arr = {0,1,2,3,4,5,6,7,8,9};
        int pos = myBinarySearch(arr,9);
        System.out.println("要查找的元素位于序号"+pos);
    }

2. 四个参数的binarySearch (数组名arr, 左边界k1, 右边界k2, 要查找的元素key)：

效果与上一个方法类似，区别是在规定范围内查找，区间[ k1, k2 )。(左闭右开)

例如：

public static void main(String[] args) {
        int[] arr = {0,1,2,3,4,5,6,7,8,9};
        int pos = Arrays.binarySearch(arr,6,9,9);//区间[6,9)
        System.out.println("要查找的元素位于序号"+pos);
        pos = Arrays.binarySearch(arr,6,10,9);//区间[6,10)
        System.out.println("要查找的元素位于序号"+pos);
    }

6.5 判断两个数组是否相等

使用equals(数组1，数组2)可以判断两个数组是否相等。

相等返回true，不相等返回false。

例如：

public static void main(String[] args) {
        int[] arr = new int[]{1,2,3,4};
        int[] arr1 = new int[]{1,2,3,4};
        int[] arr2 = new int[]{1,2,3,3};
        System.out.println(Arrays.equals(arr, arr1));
        System.out.println(Arrays.equals(arr, arr2));
    }

6.6 填充数组元素

1. 两个参数的 fill (数组名arr，填充值m)：

用填充值m对数组arr中的所有元素进行赋值。

该方法会直接操作数组arr。

例如：

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

2. 四个参数的 fill (数组名arr，左边界k1，右边界k2，填充值m)：

范围填充，区间是[ k1, k2 )。

例如：

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