Java数组的使用

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前言

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Java数组是用于存储固定大小、相同类型数据序列的数据结构，可通过索引

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一、数组基本用法

什么是数组

数组是一种数据结构，用于存储相同类型的多个元素。它可以在内存中连续地存储多个元素，并通过索引访问每个元素。数组通常具有固定的大小，一旦创建后，大小不能改变。每个元素在数组中都有一个唯一的索引，可以使用索引来获取或修改特定位置的元素。数组可以用于存储整数、浮点数、字符和其他任意类型的数据。

数组本质上就是让我们能 “批量” 创建相同类型的变量.

注意事项

在 Java 中, 数组中包含的变量必须是 相同类型.

创建数组

基本语法

// 动态初始化
数据类型[] 数组名称 = new 数据类型 [] { 初始化数据 };// 静态初始化
数据类型[] 数组名称 = { 初始化数据 };

代码示例

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

注意事项

• 静态初始化的时候, 数组元素个数和初始化数据的格式是一致的.

• 其实数组也可以写成

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

这样就和 C 语言更相似了. 但是我们还是更推荐写成 int[] arr 的形式.

int和 [] 是一个整体.

数组的使用

代码示例

获取长度 & 访问元素

int[] arr = {1, 2, 3};// 获取数组长度
System.out.println("length: " + arr.length); // 执行结果: 3// 访问数组中的元素
System.out.println(arr[1]); // 执行结果: 2
System.out.println(arr[0]); // 执行结果: 1
arr[2] = 100;
System.out.println(arr[2]); // 执行结果: 100

注意事项

• 使用 arr.length 能够获取到数组的长度. . 这个操作为成员访问操作符. 在面向对象中会经常用到.
• 使用 [ ] 按下标取数组元素. 需要注意, 下标从 0 开始计数
• 使用 [ ] 操作既能读取数据, 也能修改数据.
• 下标访问操作不能超出有效范围 [0, length - 1] , 如果超出有效范围, 会出现下标越界异常

下标越界

int[] arr = {1, 2, 3};
System.out.println(arr[100]);// 执行结果
Exception in thread "main" java.lang.ArrayIndexOutOfBoundsException: 100at 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.

遍历数组

所谓 “遍历” 是指将数组中的所有元素都访问一遍, 不重不漏.

通常需要搭配循环语句.

int[] arr = {1, 2, 3};
for (int i = 0; i < arr.length; i++) {System.out.println(arr[i]);
}// 执行结果
1
2
3

使用 for-each 遍历数组

int[] arr = {1, 2, 3};
for (int x : arr) {System.out.println(x);
}// 执行结果
1
2
3

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.

二、数组作为方法的参数

基本用法

代码示例

打印数组内容

public static void main(String[] args) {int[] arr = {1, 2, 3};printArray(arr);
}public static void printArray(int[] a) {for (int x : a) {System.out.println(x);}
}// 执行结果
1
2
3

在这个代码中

• int[] a 是函数的形参, int[] arr 是函数实参.
• 如果需要获取到数组长度, 同样可以使用 a.length

理解引用类型

我们尝试以下代码

代码示例

参数传内置类型

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

我们发现, 修改形参 x 的值, 不影响实参的 num 值.

参数传数组类型

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

我们发现, 在函数内部修改数组内容, 函数外部也发生改变.

此时数组名 arr 是一个 “引用” . 当传参的时候, 是按照引用传参.

针对 int[] arr = new int[]{1, 2, 3} 这样的代码, 内存布局如图:

• 当我们创建 new int[]{1, 2, 3} 的时候, 相当于创建了一块内存空间保存三个 int
• 接下来执行 int[] arr = new int[]{1, 2, 3} 相当于又创建了一个 int[] 变量, 这个变量是一个引用类型, 里面只保存了一个整数(数组的起始内存地址)
• 接下来我们进行传参相当于 int[] a = arr , 内存布局如图
  
• 接下来我们修改 a[0] , 此时是根据 0x100 这样的地址找到对应的内存位置, 将值改成 100
  
  此时已经将 0x100 地址的数据改成了 100 .

那么根据实参 arr 来获取数组内容 arr[0] , 本质上也是获取 0x100地址上的数据, 也是 100.

如何理解内存

内存就是指我们熟悉的 “内存”. 内存可以直观的理解成一个宿舍楼. 有一个长长的大走廊, 上面有很多房间.

每个房间的大小是 1 Byte (如果计算机有 8G 内存, 则相当于有 80亿 个这样的房间).

每个房间上面又有一个门牌号, 这个门牌号就称为 地址

内存（Memory）是计算机中用于存储数据和指令的硬件设备。它是计算机的重要组成部分，不仅影响着机器的性能，还直接关系到程序的执行效率。

内存可以分为主存（Main Memory）和辅助存储器（Auxiliary Storage）两种类型。主存是计算机的主要工作空间，它存储了当前正在执行的程序和相关的数据。主存通常是易失性存储器，即当计算机断电时，内存中的数据就会丢失。辅助存储器则是指硬盘、固态硬盘（SSD）等非易失性存储介质，它可以用于长期存储数据。

内存的容量通常以字节（Byte）为单位来衡量，1字节等于8位。常见的内存容量单位有千字节（KB）、兆字节（MB）、千兆字节（GB）和太字节（TB）。内存的容量越大，计算机可以同时存储和处理的数据量就越大。

在计算机中，每个内存单元都有一个唯一的地址，通过这个地址可以访问到其中存储的数据。内存的访问速度很快，相比于辅助存储器，它可以更快地读取和写入数据。这也是为什么计算机将程序和数据加载到内存中进行处理。

内存的管理是计算机系统的重要任务之一。操作系统负责分配和回收内存空间，以确保程序能够正常运行并避免内存泄漏的问题。程序员也需要编写高效的代码，尽量减少内存的占用和浪费，提高程序的性能。

总之，理解内存是理解计算机工作原理的重要一环。通过合理利用内存资源，可以提高计算机的性能和效率。

什么是引用

引用相当于一个 “别名”, 也可以理解成一个指针.

创建一个引用只是相当于创建了一个很小的变量, 这个变量保存了一个整数, 这个整数表示内存中的一个地址

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).

null

null 在 Java 中表示 “空引用” , 也就是一个无效的引用.

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.

JVM 内存区域划分

一个宿舍楼会划分成几个不同的区域: 大一学生, 大二学生… 计算机专业学生, 通信专业学生…内存也是类似, 这个大走廊被分成很多部分, 每个区域存放不同的数据.

JVM 的内存被划分成了几个区域, 如图所示:

• 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): 重点是存储局部变量表(当然也有其他信息). 我们刚才创建的 int[] arr 这样的存储地址的引用就是在这里保存.
• 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} )
• 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.
• 运行时常量池(Runtime Constant Pool): 是方法区的一部分, 存放字面量(字符串常量)与符号引用. (注意 从 JDK 1.7 开始, 运行时常量池在堆上).

Native 方法

JVM 是一个基于 C++ 实现的程序. 在 Java 程序执行过程中, 本质上也需要调用 C++ 提供的一些函数进行和操作系统底层进行一些交互. 因此在 Java 开发中也会调用到一些 C++ 实现的函数.

这里的 Native 方法就是指这些 C++ 实现的, 再由 Java 来调用的函数.

我们发现, 在上面的图中, 程序计数器, 虚拟机栈, 本地方法栈被很多个原谅色的, 名叫 Thread(线程) 的方框圈起来了,并且存在很多份. 而 堆, 方法区, 运行时常量池, 只有一份.

JVM栈

• 局部变量和引用保存在栈上, new 出的对象保存在堆上.
• 堆的空间非常大, 栈的空间比较小.
• 堆是整个 JVM 共享一个, 而栈每个线程具有一份(一个 Java 程序中可能存在多个栈).

数组作为方法的返回值

代码示例

写一个方法, 将数组中的每个元素都 * 2

// 直接修改原数组
class Test {public static void main(String[] args) {int[] arr = {1, 2, 3};transform(arr);printArray(arr);}public static void printArray(int[] arr) {for (int i = 0; i < arr.length; i++) {System.out.println(arr[i]);}}public static void transform(int[] arr) {for (int i = 0; i < arr.length; i++) {arr[i] = arr[i] * 2;}}
}

这个代码固然可行, 但是破坏了原有数组. 有时候我们不希望破坏原数组, 就需要在方法内部创建一个新的数组, 并由方法返回出来

// 返回一个新的数组
class Test {public static void main(String[] args) {int[] arr = {1, 2, 3};int[] output = transform(arr);printArray(output);}public static void printArray(int[] arr) {for (int i = 0; i < arr.length; i++) {System.out.println(arr[i]);}}public static int[] transform(int[] arr) {int[] ret = new int[arr.length];for (int i = 0; i < arr.length; i++) {ret[i] = arr[i] * 2;}return ret;}
}

这样的话就不会破坏原有数组了.

另外由于数组是引用类型, 返回的时候只是将这个数组的首地址返回给函数调用者, 没有拷贝数组内容, 从而比较高效.

三、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 };

代码示例

public static void main(String [] args){int[][] arr = {{1, 2, 3, 4},{5, 6, 7, 8},{9, 10, 11, 12}};for (int row = 0; row < arr.length; row++) {for (int col = 0; col < arr[row].length; col++) {System.out.printf("%d\t", arr[row][col]);}System.out.println("");}}// 执行结果
1 2 3 4
5 6 7 8
9 10 11 12

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.

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