Java基础-数组

前两篇介绍了Java的数据类型和流程控制,现在来讲一下Java的数组,作为一种引用类型,也是非常常见和常用的。这次的知识框架如下所示。

一、声明

Java在创建变量前必须先声明变量 ,而数组作为一种引用类型的变量,在创建数组变量前也必须要先声明数组变量,才能在程序中使用数组。声明格式如下。

java 复制代码
int[] arr; // 数组元素类型[] 数组名; // 推荐
int arr[]; // 数组元素类型 数组名[]; // 不推荐

二、创建(初始化)

数组的初始化可以分为静态初始化和动态初始化两种。

1、静态初始化

静态初始化即在数组创建的同时为数组赋好值。

1)写法1:在堆空间开辟(new)一块内存区域来存储数组的元素,并将该内存区域的地址值赋值给该数组的引用变量 arr(引用)

java 复制代码
// 数组元素类型[] 数组名 = new 数组元素类型[] {元素 1, 元素 2, ...};
int[] arr = new int[] {1, 2, 3};

2)写法2:简洁,必须声明的同时作初始化。

java 复制代码
// 数组元素类型[] 数组名 = {元素 1, 元素 2, ...};
int[] arr = {1, 2, 3};

2、动态初始化

动态初始化分配给定空间的数组大小(数组长度确定)。

java 复制代码
// 数组元素类型[] 数组名 = new 数组元素类型[length];
int[] arr = new int[3]; // [0, 0, 0]

3、几点注意

1)数组是定长的:一旦初始化完成,数组的长度就固定了,不能更改,除非重新做初始化。
2)数组是引用数据类型,可以赋值为 null,表示没有引用任何内存空间。
3)new 关键字:在堆空间开辟一块内存区域,用来存储数据。

操作数组常见异常:

1)NullPointerException:空指针异常(没有引用地址值)。
2)ArrayIndexOutOfBoundsException:数组的索引越界异常。

三、相关操作

1、访问

访问数组元素非常简单,即 数组变量[索引值],重新赋值也可以实现更改数组元素。还有一个是 length属性可以求得数组长度。eg:

java 复制代码
public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        int[] arr = {4, 2, 3}; // 静态初始化
        int len = arr.length;  // 数组长度,索引范围 [0, arr.length - 1]
        int num = arr[0];      // 访问
        arr[0] = 1;            // 修改 
        System.out.println(num);    // 4
        System.out.println(arr[0]); // 1
        System.out.println(len);    // 3
    }
}

2、遍历

数组的遍历即逐个输出数组元素的过程。

2.1 普通 for 循环

可以直接使用 for循环输出数组元素。如下:

java 复制代码
public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        int[] arr = {4, 2, 3}; // 静态初始化
        for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
            System.out.println(arr[i]);
        }
    }
}

2.2 for-each(增强 for循环)

for-each 是 JDK 1.5 引进了一种新的循环类型,可以在不使用索引(下标)的情况下遍历数组。

eg:以下列举3类数组元素类型,注意 for里面要加上对应的元素类型,ele任意命名(相当于 for循环里面的 i),冒号后面跟的是数组名

1)数组元素为整数类型

java 复制代码
public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        int[] arr = {4, 2, 3}; // 静态初始化
        for (int ele : arr) {
            System.out.println(ele);
        }
    }
}

2)数组元素为字符类型

java 复制代码
public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        char[] arr = {'a', 'b', 'c'}; // 静态初始化
        for (char ele : arr) {
            System.out.println(ele);
        }
    }
}

3)数组元素为String类型

java 复制代码
public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        String[] name = {"zhangsan", "lishi", "wangwu"}; // 静态初始化
        for (String n : name) {
            System.out.println(n);
        }
    }
}

虽然 for-each循环比较好用,但也要注意以下几点:

1)只能访问数组元素,不能赋值,在不关心数组的索引时使用(因为它不需要使用索引)
2)当数组元素是引用类型(数组类型)时,不建议使用(需要先知道值不为 null 的元素个数)。

3、常见数组算法

这里列举几个与数组相关的算法,包括两个排序和一个查找。

3.1 冒泡排序

1)基本原理

冒泡排序(Bubble Sort)通过重复地走访过要排序的数列,一次比较两个元素,若顺序(从小到大/从大到小)错误就把他们交换过来,直到不需要交换为止(排序完成)。顾名思义,该算法名字的由来是因为越小的元素会经由交换慢慢"浮"到数列的顶端。

冒泡排序的平均时间复杂度 O(n^2),空间复杂度 O(1)。关键字相同的元素在排序之后相对位置不变,所以是稳定的(自行验证)。

2)过程演示

对未排序的各元素从头到尾依次比较相邻的两个元素 arr[i]、arr[i + 1],共要进行 arr.length -1 轮比较。

3)代码实现

java 复制代码
import java.util.Arrays;

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        int[] nums = {5,8,4,3,6,1};
        bubbleSort(nums);
        System.out.println("冒泡排序完的数组:"+ Arrays.toString(nums));

    }
    static void bubbleSort(int[] arr) {
        for (int times = 1; times <= arr.length - 1; times++) {
            for (int i = 0; i <= arr.length - times - 1; i++) {
                if (arr[i] > arr[i + 1]) {
                    // 交换
                    arr[i] = arr[i] ^ arr[i + 1];
                    arr[i + 1] = arr[i] ^ arr[i + 1];
                    arr[i] = arr[i] ^ arr[i + 1];
                }
            }
            System.out.println("第"+times+"趟:"+Arrays.toString(arr));
        }
    }
}

Arrays.toString()方法:用于将数组转换成一个字符串,括在方括号("[]")中,相邻元素用字符 ", "(逗号加空格)分隔。

3.2 选择排序

1)基本原理

首先在未排序序列中找到最小(大)元素,存放到排序序列的起始位置,再从剩余未排序 元素中继续寻找最小(大)元素,然后放到已排序序列的末尾。重复第二步,直到所有元素均排序完毕。

选择排序平均时间复杂度 O(n^2),空间复杂度 O(1),不稳定。

2)过程演示

3)代码实现

java 复制代码
import java.util.Arrays;

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        int[] nums = {5,8,4,3,6,1};
        selectionSort(nums);
        System.out.println("选择排序完的数组:"+ Arrays.toString(nums));

    }
    static void selectionSort(int[] arr) {  // 选择排序
        for (int i = 0; i <= arr.length - 2; i++) {
            for (int j = i + 1; j <= arr.length - 1; j++) {
                if (arr[i] > arr[j]) {
                    // 交换
                    arr[i] = arr[i] ^ arr[j];
                    arr[j] = arr[i] ^ arr[j];
                    arr[i] = arr[i] ^ arr[j];
                }
            }
            System.out.println("第"+(i+1)+"趟:"+Arrays.toString(arr));
        }
    }
}

3.3 二分查找(折半查找)

1)基本原理

二分查找,也称折半查找,是一种在有序数组中查找目标元素的算法。它的原理是不断将查找范围减半,直到找到目标元素或确定目标元素不存在。

pass:二分查找的前提是数组已经排好序

2)代码实现

java 复制代码
import java.util.Arrays;

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        int[] nums = {5,8,4,3,6,1};
        int target = 5; // 查找目标元素
        Arrays.sort(nums);  // 二分查找的前提是数组必须有序
        System.out.println("排序后的数组为:" + Arrays.toString(nums));
        System.out.println("目标元素" + target + "的下标为:" + binarySearch(nums,target));

    }
    static int binarySearch(int[] arr, int key) {   // 二分查找
        int low = 0;
        int high = arr.length - 1;
        while (low <= high) {
            int mid = (low + high) >> 1;
            if (arr[mid] < key) {
                low = mid + 1;
            } else if (arr[mid] > key) {
                high = mid - 1;
            } else {
                while (mid - 1 >= 0 && arr[mid -1] == key) {
                    mid--;
                }
                return mid;
            }
        }
        return -1;
    }
}

4、Arrays工具类(重点)

java.util.Arrays 类能方便地操作数组,它提供的所有方法都是静态的。

4.1 常用方法汇总

1、 String toString (Object[] arr):将 a 数组转换成一个字符串,括在方括号("[]")中,相邻元素用字符 ", "(逗号加空格)分隔。

2、 void sort (Object[] a):根据元素的自然顺序对指定对象数组按升序进行排序,数组中的所有元素都必须实现 Comparable 接口。

3、 void parallelSort(Object[] a):以并发的方式对 a 数组的数组元素进行排序。

4、 type binarySearch (Object[] a, type key):使用二分法査询 key 元素值在 a 数组中出现的索引 ,如果 a 数组不包含 key 元素值,则返回 -(low + 1)(调用该方法时要求数组中元素已经按升序排列)。

5、 boolean equals (Object[] a, Object[] a2):如果 a 数组和 a2 数组的长度相等 ,且 a 数组和 a2 数组的数组元素也对应相同,该方法将返回 true。

6、void fill (int[] a, int val):将指定的 int 值分配给指定 int 型数组指定范围中的每个元素。同样的方法适用于所有的其他基本数据类型(Byte,short,Int等)。

7、 Object[] copyOf (Object[] original, int newLength):复制 original 数组,截取或用 0(数值类型)、false(布尔类型)或者 null(引用类型)填充,以使新数组的长度为 newLength。

4.2 以上方法对应的代码实现

java 复制代码
import java.util.Arrays;

public class Test {
    public static void main(String[] args){
        int[] arr1={1,3,6,7,9};
        int[] arr2={3,6,1,7,9};
        System.out.println(Arrays.toString(arr1));  //1.数组与字符串的相互转换 [1, 3, 6, 7, 9]
        Arrays.sort(arr2);  //2.排序后arr2为: 1,3,6,7,9
        System.out.println(Arrays.equals(arr1,arr2)); //3.数组比较,true

        Arrays.fill(arr1,9);    //4.fill方法给数组赋值
        for (int i:arr1){   // 遍历查看赋值结果
            System.out.println(i);  // 5个9
        }
        System.out.println("-------");
        int[] newarr=Arrays.copyOf(arr1,4); //5.数组复制,截取指定长度
        for(int i:newarr){
            System.out.println(i);  // 4个9
        }
        System.out.println("-------");
        Arrays.sort(arr2);  //查找时先排序,排序后arr2为:1,3,6,7,9
        int index=Arrays.binarySearch(arr2,6); //6.查找元素6在arr2的位置
        System.out.println(index);  //2
    }
}

注:使用前要先导入java.util.Arrays工具类 ,才能调用类中的方法。调用格式为:Arrays.要用的方法
pass:Arrays工具类里面的方法还有很多,但较为常用的就是这些,其他的方法有兴趣的可以自行去了解。

四、二维数组

本质还是一维数组, 只不过数组元素是引用类型( 数组类型), 数组元素里保存的引用指向一维数组。

1、初始化

1.1 静态初始化

java 复制代码
int[][] arr = new int[][] { {1, 2, 3}, {4, 5}, {6} };
int[][] arr = { {1, 2, 3}, {4, 5}, {6} };

1.2 动态初始化

java 复制代码
int[][] arr = new int[3][]; // 即 int[][] arr = {null, null, null};
int[][] arr = new int[3][4];

1.3 关于数组长度

arr.length 为外层数组的长度,arr[i].length 为内层数组的长度。

2、遍历

依葫芦画瓢,注意与一维的区别。

2.1 普通 for循环

java 复制代码
public class Test {
    public static void main(String[] args){
        int[][] arr = { {1, 2, 3}, {4, 5}, {6} };
        for (int i = 0; i < arr.length; i++) {  // arr.length,外层数组的长度
            for (int j = 0; j < arr[i].length; j++) {   // arr[i].length,内层数组的长度
                System.out.println(arr[i][j]);
            }
        }
    }
}

2.2 增强 for 循环(for-each)

java 复制代码
public class Test {
    public static void main(String[] args){
        int[][] arr = { {1, 2, 3}, {4, 5}, {6} };
        for (int[] outerArr : arr) {    // 注意这里与一维的区别
            for (int oa : outerArr)
                System.out.println(oa);
        }
    }
}
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