数组

数组

概念

数组(Array)，是多个相同类型数据按一定顺序排列的集合，并使用一个名字命名，并通过编号的方式对这些数据进行统一管理

数组中的概念

• 数组名
• 下标（或索引）
• 元素
• 数组的长度

数组的特点：

• 数组本身是引用数据类型，而数组中的元素可以是任何数据类型，包括基本数据类型和引用数据类型
• 创建数组对象会在内存中开辟一整块连续的空间。占据的空间的大小，取决于数组的长度和数组中元素的类型
• 数组中的元素在内存中是依次紧密排列的，有序的
• 数组，一旦初始化完成，其长度就是确定的。数组的长度一旦确定，就不能修改
• 可以直接通过下标(或索引)的方式调用指定位置的元素，速度很快
• 数组名中引用的是这块连续空间的首地址

分类

1、按照元素类型分：

• 基本数据类型元素的数组：每个元素位置存储基本数据类型的值
• 引用数据类型元素的数组：每个元素位置存储对象（本质是存储对象的首地址）（在面向对象部分讲解）

2、按照维度分：

• 一维数组：存储一组数据
• 二维数组：存储多组数据，相当于二维表，一行代表一组数据，只是这里的二维表每一行长度不要求一样

一维数据

声明

格式：

//推荐
 元素的数据类型[] 一维数组的名称;
 
//不推荐
元素的数据类型  一维数组名[];

举例：

int[] arr;
int arr1[];
double[] arr2;
String[] arr3;  //引用类型变量数组

数组的声明，需要明确：

（1）数组的维度：在Java中数组的符号是[]，[]表示一维，[][]表示二维

（2）数组的元素类型：即创建的数组容器可以存储什么数据类型的数据。元素的类型可以是任意的 Java 的数据类型。例如：int、String、Student 等

（3）数组名：就是代表某个数组的标识符，数组名其实也是变量名，按照变量的命名规范来命名。数组名是个引用数据类型的变量，因为它代表一组数据

声明

静态初始化

如果数组变量的初始化和数组元素的赋值操作同时进行，那就称为静态初始化

静态初始化，本质是用静态数据（编译时已知）为数组初始化。此时数组的长度由静态数据的个数决定

一维数组声明和静态初始化格式1

数据类型[] 数组名 = new 数据类型[]{元素1,元素2,元素3,...};
 
或
    
数据类型[] 数组名;
数组名 = new 数据类型[]{元素1,元素2,元素3,...};

new：关键字，创建数组使用的关键字。因为数组本身是引用数据类型，所以要用 new 创建数组实体

例如，定义存储1，2，3，4，5整数的数组容器

int[] arr = new int[]{1,2,3,4,5};//正确
//或
int[] arr;
arr = new int[]{1,2,3,4,5};//正确

一维数组声明和静态初始化格式2

数据类型[] 数组名 = {元素1,元素2,元素3...};//必须在一个语句中完成，不能分成两个语句写

如，定义存储1，2，3，4，5整数的数组容器

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

举例

public class ArrayTest2 {
    public static void main(String[] args) {
        int[] arr = {1,2,3,4,5};//右边不需要写new int[]

        int[] nums;
        nums = new int[]{10,20,30,40}; //声明和初始化在两个语句完成，就不能使用new int[]

        char[] word = {'h','e','l','l','o'};

        String[] heros = {"袁隆平","邓稼先","钱学森"};

        System.out.println("arr数组：" + arr);//arr数组：[I@1b6d3586
        System.out.println("nums数组：" + nums);//nums数组：[I@4554617c
        System.out.println("word数组：" + word);//word数组：[C@74a14482
        System.out.println("heros数组：" + heros);//heros数组：[Ljava.lang.String;@1540e19d
    }
}

动态初始化

数组变量的初始化和数组元素的赋值操作分开进行，即为动态初始化

动态初始化中，只确定了元素的个数（即数组的长度），而元素值此时只是默认值，还并未真正赋自己期望的值。真正期望的数据需要后续单独一个一个赋值

格式：

数组存储的元素的数据类型[] 数组名字 = new 数组存储的元素的数据类型[长度];
 
或

数组存储的数据类型[] 数组名字;
数组名字 = new 数组存储的数据类型[长度];

• [长度]：数组的长度，表示数组容器中可以最多存储多少个元素
• **注意：数组有定长特性，长度一旦指定，不可更改。**和水杯道理相同，买了一个2升的水杯，总容量就是2升是固定的 正确写法

int[] arr = new int[5];
 
int[] arr;
arr = new int[5];

使用

• 数组的元素总个数，即数组的长度
• 每个数组都有一个属性 length 指明它的长度，例如：arr.length 指明数组 arr 的长度(即元素个数)
• 每个数组都具有长度，而且一旦初始化，其长度就是确定，且是不可变的

如何表示数组中的一个元素？

每一个存储到数组的元素，都会自动的拥有一个编号，从0开始，这个自动编号称为数组索引(index)或下标，可以通过数组的索引/下标访问到数组中的元素

数组名[索引/下标]

数组的下标范围？

Java 中数组的下标从[0]开始，下标范围是[0, 数组的长度-1]，即[0, 数组名.length-1]

遍历

将数组中的每个元素分别获取出来，就是遍历。for 循环与数组的遍历是绝配

public class ArrayTest4 {
    public static void main(String[] args) {
        int[] arr = new int[]{1,2,3,4,5};
        //打印数组的属性，输出结果是5
        System.out.println("数组的长度：" + arr.length);

        //遍历输出数组中的元素
        System.out.println("数组的元素有：");
        for(int i=0; i<arr.length; i++){
            System.out.println(arr[i]);
        }
    }
}

默认值

数组是引用类型，当使用动态初始化方式创建数组时，元素值只是默认值。例如：

public class ArrayTest6 {
    public static void main(String argv[]){
        int a[]= new int[5]; 
        System.out.println(a[3]); //a[3]的默认值为0
    }
}

对于基本数据类型而言，默认初始化值各有不同

对于引用数据类型而言，默认初始化值为 null（注意与0不同！)

一维数组内存分析

Java虚拟机的内存划分

为了提高运算效率，就对空间进行了不同区域的划分，因为每一片区域都有特定的处理数据方式和内存管理方式

区域名称	作用
虚拟机栈	用于存储正在执行的每个 Java 方法的局部变量表等。局部变量表存放了编译期可知长度的各种基本数据类型、对象引用，方法执行完，自动释放。
堆内存	存储对象（包括数组对象），new 来创建的，都存储在堆内存。
方法区	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。
本地方法栈	当程序中调用了 native 的本地方法时，本地方法执行期间的内存区域
程序计数器	程序计数器是 CPU 中的寄存器，它包含每一个线程下一条要执行的指令的地址

一维数组在内存中的存储

一个一维数组内存图

public static void main(String[] args) {
  	int[] arr = new int[3];
  	System.out.println(arr);//[I@5f150435
}

数组下标为什么是从0开始

因为第一个元素距离数组首地址间隔0个单元格

两个一维数组内存图

两个数组相互独立

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

两个变量指向一个一维数组

两个数组变量本质上代表同一个数组

public static void main(String[] args) {
    // 定义数组，存储3个元素
    int[] arr = new int[3];
    //数组索引进行赋值
    arr[0] = 5;
    arr[1] = 6;
    arr[2] = 7;
    //输出3个索引上的元素值
    System.out.println(arr[0]);
    System.out.println(arr[1]);
    System.out.println(arr[2]);
    //定义数组变量arr2，将arr的地址赋值给arr2
    int[] arr2 = arr;
    arr2[1] = 9;
    System.out.println(arr[1]);
}

多维数组

概述

Java 语言里提供了支持多维数组的语法

声明与初始化

二维数组声明的语法格式：

//推荐
元素的数据类型[][] 二维数组的名称;

//不推荐
元素的数据类型  二维数组名[][];
//不推荐
元素的数据类型[]  二维数组名[];

例如

public class Test20TwoDimensionalArrayDefine {
    public static void main(String[] args) {
        //存储多组成绩
        int[][] grades;

        //存储多组姓名
        String[][] names;
    }
}

静态初始化

格式

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

定义一个名称为 arr 的二维数组，二维数组中有三个一维数组

• 每一个一维数组中具体元素也都已初始化
  • 第一个一维数组 arr[0] = {3,8,2};
  • 第二个一维数组 arr[1] = {2,7};
  • 第三个一维数组 arr[2] = {9,0,1,6};
• 第三个一维数组的长度表示方式：arr[2].length;

注意特殊写法情况：int[] x,y[]; x是一维数组，y是二维数组

动态初始化

如果二维数组的每一个数据，甚至是每一行的列数，需要后期单独确定，那么就只能使用动态初始化方式了。动态初始化方式分为两种格式：

格式1：规则二维表：每一行的列数是相同的

//（1）确定行数和列数
元素的数据类型[][] 二维数组名 = new 元素的数据类型[m][n];
    //其中，m:表示这个二维数组有多少个一维数组。或者说一共二维表有几行
    //其中，n:表示每一个一维数组的元素有多少个。或者说每一行共有一个单元格

//此时创建完数组，行数、列数确定，而且元素也都有默认值

//（2）再为元素赋新值
二维数组名[行下标][列下标] = 值;

举例：

int[][] arr = new int[3][2];

• 定义了名称为 arr 的二维数组
• 二维数组中有3个一维数组
• 每一个一维数组中有2个元素
• 一维数组的名称分别为arr[0], arr[1], arr[2]
• 给第一个一维数组1脚标位赋值为78写法是：arr[0][1] = 78;

格式2：不规则：每一行的列数不一样

//（1）先确定总行数
元素的数据类型[][] 二维数组名 = new 元素的数据类型[总行数][];

//此时只是确定了总行数，每一行里面现在是null

//（2）再确定每一行的列数，创建每一行的一维数组
二维数组名[行下标] = new 元素的数据类型[该行的总列数];

//此时已经new完的行的元素就有默认值了，没有new的行还是null

//(3)再为元素赋值
二维数组名[行下标][列下标] = 值;

举例：

int[][] arr = new int[3][];

• 二维数组中有3个一维数组
• 每个一维数组都是默认初始化值 null (注意：区别于格式1)
• 可以对这个三个一维数组分别进行初始化：arr[0] = new int[3]; arr[1] = new int[1]; arr[2] = new int[2];
• 注：int[][]arr = new int[][3]; //非法

数组长度和角标

• 二维数组的长度/行数：二维数组名.length
• 二维数组的某一行：二维数组名[行下标]，此时相当于获取其中一组数据。它本质上是一个一维数组。行下标的范围：[0, 二维数组名.length-1]。此时把二维数组看成一维数组的话，元素是行对象
• 某一行的列数：二维数组名[行下标].length，因为二维数组的每一行是一个一维数组
• 某一个元素：二维数组名[行下标][列下标]，即先确定行/组，再确定列

二维数组的遍历

格式：

for(int i=0; i<二维数组名.length; i++){ //二维数组对象.length
    for(int j=0; j<二维数组名[i].length; j++){//二维数组行对象.length
        System.out.print(二维数组名[i][j]);
    }
    System.out.println();
}

内存解析

二维数组本质上是元素类型是一维数组的一维数组

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

//1、声明二维数组，并确定行数和列数
int[][] arr = new int[4][5];

//2、确定元素的值
for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
    for (int j = 0; j < arr.length; j++) {
        arr[i][j] = i + 1;
    }
}

//1、声明一个二维数组，并且确定行数
//因为每一行的列数不同，这里无法直接确定列数
int[][]  arr = new int[5][];

//2、确定每一行的列数
for(int i=0; i<arr.length; i++){
    /*
			arr[0] 的列数是1
			arr[1] 的列数是2
			arr[2] 的列数是3
			arr[3] 的列数是4
			arr[4] 的列数是5
			*/
    arr[i] = new int[i+1];
}

//3、确定元素的值
for(int i=0; i<arr.length; i++){
    for(int j=0; j<arr[i].length; j++){
        arr[i][j] = i+1;
    }
}

数组常见算法

数组元素的反转

**实现思想：**数组对称位置的元素互换

public class TestArrayReverse1 {
    public static void main(String[] args) {
        int[] arr = {1,2,3,4,5};
        System.out.println("反转之前：");
        for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
            System.out.println(arr[i]);
        }

        //反转
         /*
        思路：首尾对应位置的元素交换
        （1）确定交换几次
           次数 = 数组.length / 2
        （2）谁和谁交换
        for(int i=0; i<次数; i++){
             int temp = arr[i];
             arr[i] = arr[arr.length-1-i];
             arr[arr.length-1-i] = temp;
        }
         */
        for(int i=0; i<arr.length/2; i++){
            int temp = arr[i];
            arr[i] = arr[arr.length-1-i];
            arr[arr.length-1-i] = temp;
        }

        System.out.println("反转之后：");
        for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
            System.out.println(arr[i]);
        }
    }

}

数组的扩容与缩容

题目：现有数组 int[] arr = new int[]{1,2,3,4,5}; ，现将数组长度扩容1倍，并将10,20,30三个数据添加到arr数组中，如何操作？

public class ArrTest1 {
    public static void main(String[] args) {

        int[] arr = new int[]{1,2,3,4,5};
        int[] newArr = new int[arr.length << 1];

        for(int i = 0;i < arr.length;i++){
            newArr[i] = arr[i];
        }

        newArr[arr.length] = 10;
        newArr[arr.length + 1] = 20;
        newArr[arr.length + 2] = 30;

        arr = newArr;

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

题目：现有数组 int[] arr={1,2,3,4,5,6,7}。现需删除数组中索引为4的元素

public class ArrTest2 {
    public static void main(String[] args) {

        int[] arr = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7};
        //删除数组中索引为4的元素
        int delIndex = 4;
        //方案1：
        /*//创建新数组
        int[] newArr = new int[arr.length - 1];

        for (int i = 0; i < delIndex; i++) {
            newArr[i] = arr[i];
        }
        for (int i = delIndex + 1; i < arr.length; i++) {
            newArr[i - 1] = arr[i];
        }

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

        //方案2：
        for (int i = delIndex; i < arr.length - 1; i++) {
            arr[i] = arr[i + 1];
        }
        arr[arr.length - 1] = 0;

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

数组元素的查找

顺序查找

public class TestArrayOrderSearch {
    //查找value第一次在数组中出现的index
    public static void main(String[] args){
        int[] arr = {4,5,6,1,9};
        int value = 1;
        int index = -1;

        for(int i=0; i<arr.length; i++){
            if(arr[i] == value){
                index = i;
                break;
            }
        }

        if(index==-1){
            System.out.println(value + "不存在");
        }else{
            System.out.println(value + "的下标是" + index);
        }
    }
}

二分查找

//二分法查找：要求此数组必须是有序的。
int[] arr3 = new int[]{-99,-54,-2,0,2,33,43,256,999};
boolean isFlag = true;
int value = 256;
//int value = 25;
int head = 0;//首索引位置
int end = arr3.length - 1;//尾索引位置
while(head <= end){
    int middle = (head + end) / 2;
    if(arr3[middle] == value){
        System.out.println("找到指定的元素，索引为：" + middle);
        isFlag = false;
        break;
    }else if(arr3[middle] > value){
        end = middle - 1;
    }else{//arr3[middle] < value
        head = middle + 1;
    }
}

if(isFlag){
    System.out.println("未找打指定的元素");
}

数组元素排序

冒泡排序

排序思想：

1. 比较相邻的元素。如果第一个比第二个大（升序），就交换他们两个
2. 对每一对相邻元素作同样的工作，从开始第一对到结尾的最后一对。这步做完后，最后的元素会是最大的数
3. 针对所有的元素重复以上的步骤，除了最后一个
4. 持续每次对越来越少的元素重复上面的步骤，直到没有任何一对数字需要比较为止

/*
1、冒泡排序（最经典）
思想：每一次比较“相邻（位置相邻）”元素，如果它们不符合目标顺序（例如：从小到大），
     就交换它们，经过多轮比较，最终实现排序。
	 （例如：从小到大）	 每一轮可以把最大的沉底，或最小的冒顶。
	 
过程：arr{6,9,2,9,1}  目标：从小到大

第一轮：
	第1次，arr[0]与arr[1]，6>9不成立，满足目标要求，不交换
	第2次，arr[1]与arr[2]，9>2成立，不满足目标要求，交换arr[1]与arr[2] {6,2,9,9,1}
	第3次，arr[2]与arr[3]，9>9不成立，满足目标要求，不交换
	第4次，arr[3]与arr[4]，9>1成立，不满足目标要求，交换arr[3]与arr[4] {6,2,9,1,9}
	第一轮所有元素{6,9,2,9,1}已经都参与了比较，结束。
	第一轮的结果：第“一”最大值9沉底（本次是后面的9沉底），即到{6,2,9,1,9}元素的最右边

第二轮：
	第1次，arr[0]与arr[1]，6>2成立，不满足目标要求，交换arr[0]与arr[1] {2,6,9,1,9}
	第2次，arr[1]与arr[2]，6>9不成立，满足目标要求，不交换
	第3次：arr[2]与arr[3]，9>1成立，不满足目标要求，交换arr[2]与arr[3] {2,6,1,9,9}
	第二轮未排序的所有元素 {6,2,9,1}已经都参与了比较，结束。
	第二轮的结果：第“二”最大值9沉底（本次是前面的9沉底），即到{2,6,1,9}元素的最右边
第三轮：
	第1次，arr[0]与arr[1]，2>6不成立，满足目标要求，不交换
	第2次，arr[1]与arr[2]，6>1成立，不满足目标要求，交换arr[1]与arr[2] {2,1,6,9,9}
	第三轮未排序的所有元素{2,6,1}已经都参与了比较，结束。
	第三轮的结果：第三最大值6沉底，即到 {2,1,6}元素的最右边
第四轮：
	第1次，arr[0]与arr[1]，2>1成立，不满足目标要求，交换arr[0]与arr[1] {1,2,6,9,9}
	第四轮未排序的所有元素{2,1}已经都参与了比较，结束。
	第四轮的结果：第四最大值2沉底，即到{1,2}元素的最右边

*/
public class Test19BubbleSort{
    public static void main(String[] args){
        int[] arr = {6,9,2,9,1};

        //目标：从小到大
        //冒泡排序的轮数 = 元素的总个数 - 1
        //轮数是多轮，每一轮比较的次数是多次，需要用到双重循环，即循环嵌套
        //外循环控制 轮数，内循环控制每一轮的比较次数和过程
        for(int i=1; i<arr.length; i++){ //循环次数是arr.length-1次/轮
			/*
			假设arr.length=5
			i=1,第1轮，比较4次
				arr[0]与arr[1]
				arr[1]与arr[2]
				arr[2]与arr[3]
				arr[3]与arr[4]
				
				arr[j]与arr[j+1]，int j=0;j<4; j++
				
			i=2,第2轮，比较3次
				arr[0]与arr[1]
				arr[1]与arr[2]
				arr[2]与arr[3]
				
				arr[j]与arr[j+1]，int j=0;j<3; j++
				
			i=3,第3轮，比较2次
				arr[0]与arr[1]
				arr[1]与arr[2]
				
				arr[j]与arr[j+1]，int j=0;j<2; j++
			i=4,第4轮，比较1次
				arr[0]与arr[1]
			
				arr[j]与arr[j+1]，int j=0;j<1; j++
				
				int j=0; j<arr.length-i; j++
			*/
            for(int j=0; j<arr.length-i; j++){
                //希望的是arr[j] < arr[j+1]
                if(arr[j] > arr[j+1]){
                    //交换arr[j]与arr[j+1]
                    int temp = arr[j];
                    arr[j] = arr[j+1];
                    arr[j+1] = temp;
                }
            }
        }

        //完成排序，遍历结果
        for(int i=0; i<arr.length; i++){
            System.out.print(arr[i]+"  ");
        }
    }
}

快速排序

快速排序（Quick Sort）由图灵奖获得者Tony Hoare发明，被列为20世纪十大算法之一，是迄今为止所有内排序算法中速度最快的一种，快速排序的时间复杂度为O(nlog(n))

快速排序通常明显比同为O(nlogn)的其他算法更快，因此常被采用，而且快排采用了分治法的思想，所以在很多笔试面试中能经常看到快排的影子

排序思想：

1. 从数列中挑出一个元素，称为"基准"（pivot）
2. 重新排序数列，所有元素比基准值小的摆放在基准前面，所有元素比基准值大的摆在基准的后面（相同的数可以到任一边）。在这个分区结束之后，该基准就处于数列的中间位置。这个称为分区（partition）操作
3. 递归地（recursive）把小于基准值元素的子数列和大于基准值元素的子数列排序
4. 递归的最底部情形，是数列的大小是零或一，也就是永远都已经被排序好了。虽然一直递归下去，但是这个算法总会结束，因为在每次的迭代（iteration）中，它至少会把一个元素摆到它最后的位置去

Arrays工具类的使用

java.util.Arrays类即为操作数组的工具类，包含了用来操作数组（比如排序和搜索）的各种方法。 比如：

• 数组元素拼接
  • static String toString(int[] a) ：字符串表示形式由数组的元素列表组成，括在方括号（"[]"）中。相邻元素用字符 ", "（逗号加空格）分隔。形式为：[元素1，元素2，元素3...]
  • static String toString(Object[] a) ：字符串表示形式由数组的元素列表组成，括在方括号（"[]"）中。相邻元素用字符 ", "（逗号加空格）分隔。元素将自动调用自己从 Object 继承的 toString 方法将对象转为字符串进行拼接，如果没有重写，则返回类型@hash值，如果重写则按重写返回的字符串进行拼接。
• 数组排序
  • static void sort(int[] a) ：将a数组按照从小到大进行排序
  • static void sort(int[] a, int fromIndex, int toIndex) ：将a数组的[fromIndex, toIndex)部分按照升序排列
  • static 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。
  • static <T> void sort(T[] a, Comparator<? super T> c) ：根据指定比较器产生的顺序对指定对象数组进行排序。
• 数组元素的二分查找
  • static int binarySearch(int[] a, int key) 、static int binarySearch(Object[] a, Object key) ：要求数组有序，在数组中查找 key 是否存在，如果存在返回第一次找到的下标，不存在返回负数。
• 数组的复制
  • static int[] copyOf(int[] original, int newLength) ：根据 original 原数组复制一个长度为 newLength 的新数组，并返回新数组
  • static <T> T[] copyOf(T[] original,int newLength)：根据 original 原数组复制一个长度为 newLength 的新数组，并返回新数组
  • static int[] copyOfRange(int[] original, int from, int to) ：复制 original 原数组的[from,to)构成新数组，并返回新数组
  • static <T> T[] copyOfRange(T[] original,int from,int to)：复制 original 原数组的[from,to)构成新数组，并返回新数组
• 比较两个数组是否相等
  • static boolean equals(int[] a, int[] a2) ：比较两个数组的长度、元素是否完全相同
  • static boolean equals(Object[] a,Object[] a2)：比较两个数组的长度、元素是否完全相同
• 填充数组
  • static void fill(int[] a, int val) ：用 val 值填充整个 a 数组
  • static void fill(Object[] a,Object val)：用 val 对象填充整个 a 数组
  • static void fill(int[] a, int fromIndex, int toIndex, int val)：将 a 数组[fromIndex,toIndex)部分填充为val值
  • static void fill(Object[] a, int fromIndex, int toIndex, Object val)：将 a 数组[fromIndex,toIndex)部分填充为val对象

举例：java.util.Arrays类的sort()方法提供了数组元素排序功能：

import java.util.Arrays;
public class SortTest {
    public static void main(String[] args) {
        int[] arr = {3, 2, 5, 1, 6};
        System.out.println("排序前" + Arrays.toString(arr));
        Arrays.sort(arr);
        System.out.println("排序后" + Arrays.toString(arr));
    }
}