7.Java数组

一、数组概念（最简单的数据结构）

• 数组是相同类型数据的有序集合。
• 数组描述的是相同类型的若干个数据，按照一定的先后次序排列组合而成。
• 其中每一个数据称作一个数组元素，每个数组元素可以通过一个下标来访问它们。

二、数组声明创建

• 首先必须声明数组变量，才能在程序中使用数组。语法：

  变量类型[] 变量名;  //首选的方法
  变量类型 变量名[];  //效果相同，但不是首选
  

• Java 使用 new 操作符来创建数组。语法：

数据类型[] 变量名 = new 数据类型[数组大小];

• 数组的元素是通过索引访问的，数组索引从 0 开始。
• 获取数组长度： arrays.length

public class Array {
    public static void main(String[] args) {
        //变量类型（数组类型） 变量名 = 值;
        //1.定义数组
        int[] arra1;  // Java 风格
        int arra2[];  // C / C++ 语言风格

        //2.创建数组（这里面可以存放 10 个 int 类型的数字）
        //假如没有数组要定义 10 个变量，有了数组通过 1 个变量就可以村 10 个数字了
        arra1 = new int[10];

//        int[] arra1 = new int[10];

        //3.给数组元素中赋值
        arra1[0] = 1;
        arra1[1] = 1;
        arra1[2] = 1;
        arra1[3] = 1;
        System.out.println(arra1[0]);
        System.out.println(arra1[4]);  //0，默认值

        //计算所有元素的和
        int sum = 0;
        for (int i = 0; i < arra1.length; i++) {
            sum += arra1[i];
        }
        System.out.println("所有元素的和：" + sum);
    }
}

三、内存分析

1.Java 内存分析：

• 写代码画图分析内存：

  public class MemoryAnalysis_ArrayIndexOutOfBoundsException {
      public static void main(String[] args) {
          //1.定义数组
          int[] array = null;
  
          // 2.创建数组
          array = new int[10];
  
          // 3.给数组元素中赋值
          array[0] = 1;
          array[1] = 1;
          array[2] = 1;
          array[3] = 1;
  
          System.out.println(array[10]);  //ArrayIndexOutOfBoundsException
      }
  }
  

  

  • 声明的时候数组并不存在，通过 new 关键字创建的时候，数组才产生，给里面赋值的时候才有值，没有赋值的话就是默认元素

方法在栈，实例在堆

2.三种初始化

1. 静态初始化

   int[] array = {1, 2, 3};
   Man[] mans = {new Man(1, 1), new Man(2, 2)};
   

2. 动态初始化

   int[] array = new int[2];
   array[0] = 1;
   array[1] = 2;
   

3. 数组的默认初始化

   • 数组是引用类型，它的元素相当于类的实例变量，因此数组一经分配空间，其中的每个元素也被按照实例变量同样的方式被隐式初始化。

public class ThreeKindsOfInitialization {
    public static void main(String[] args) {
        //1.静态初始化：创建 + 赋值
        int[] array = {1, 2, 3};
        System.out.println(array[0]);  //1

        //引用类型数组
        Man[] mans = {new Man(), new Man()};

        //2.动态初始化：包含默认初始化
        int[] array2 = new int[3];
        array2[0] = 1;
        array2[1] = 2;
        System.out.println(array2[1]);  //2

        //3.数组的默认初始化
        System.out.println(array2[2]);  //0
    }
}

class Man{}

3.数组的四个基本特点

• 其长度是确定的。数组一旦被创建，它的大小就是不可以改变的。
• 其元素必须是相同类型，不允许出现混合类型。
• 数组中的元素可以是任何数据类型，包括基本类型和引用类型。
• 数组变量属引用类型，数组也可以看成是对象，数组中的每个元素相当于该对象的成员变量。数组本身就是对象， Java 中对象是在堆中的，因此数组无论保存原始类型还是其它对象类型，数组对象本身是在堆中的。

4.数组边界

• 下标的合法区间： [0, length - 1] ，如果越界就会报错：

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

• ArrayIndexOutOfBoundsException ：数组下标越界异常！

5.小结

• 数组是相同数据类型（数据类型可以为任意类型）的有序集合
• 数组也是对象。数组元素相当于对象的成员变量
• 数组长度是确定的，不可变的。如果越界，则报： ArrayIndexOutOfBoundsException

四、数组使用

1.普通的for循环（使用最多）

• 要从数组中取出一些数据或下标进行操作

public class Fori_Exer {
    public static void main(String[] args) {
        int[] arrays = {1, 2, 3};

        //打印全部的数组元素
        for (int i = 0; i < arrays.length; i++) {
            System.out.println(arrays[i]);
        }
        System.out.println();

        //计算所有元素的和
        int sum = 0;
        for (int i = 0; i < arrays.length; i++) {
            sum += arrays[i];
        }
        System.out.println(sum);
        System.out.println();

        //查找最大元素
        int max = arrays[0];
        for (int i = 1; i < arrays.length; i++) {
            if (arrays[i] > max){
                max = arrays[i];
            }
        }
        System.out.println(max);
    }
}

2.foreach循环

• 用来打印结果

public class ForEach_Exer {
    public static void main(String[] args) {
        int[] arrays = {1, 2, 3};

        //增强型for循环，JDK1.5，没有下标，适合打印输出
        for (int array : arrays) {
            System.out.println(array);
        }
    }
}

3.数组作方法入参

• 可以对数组进行一些操作

public class ArrayAsMethodInputParameter_Exer {
    public static void main(String[] args) {
        int[] arrays = {1, 2, 3};

        printArray(arrays);
    }

    //打印全部的数组元素
    public static void printArray(int[] arrays){
        for (int i = 0; i < arrays.length; i++) {
            System.out.println(arrays[i]);
        }
    }
}

4.数组作返回值

• 把数组进行修改，然后返回新的数组

public class ArrayAsTheReturnValue_Exer {
    public static void main(String[] args) {
        int[] arrays = {1, 2, 3};

        int[] array = reverseArray(arrays);
        for (int i : array) {
            System.out.println(i);
        }
    }

    //反转数组
    public static int[] reverseArray(int[] arrays){
        int[] result = new int[arrays.length];

        //反转的操作
        for (int i = 0, j = result.length - 1; i < arrays.length; i++, j--) {
            result[j] = arrays[i];
        }
        return result;
    }
}

五、 多维数组（数组的升级）（坐标）

• 多维数组可以看成是数组的数组，比如二维数组就是一个特殊的一维数组，其每一个元素都是一个一维数组。

• 二维数组

  int arrays[][] = new int[2][5];
  

  • 解析：二维数组 arrays 可以看成一个两行五列的数组

• 思考：多维数组的使用？

  • Java 并不会使用多维数组进行操作，面向对象编程，会把一个东西变成一个对象

public class TwoDimensionalArray_Exer {
    public static void main(String[] args) {
        /*
        [2][3]
        1, 2, 3  arrays[0]
        4, 5     arrays[1]
         */
        int[][] arrays = {{1, 2, 3}, {4, 5}};

        System.out.println(arrays[0]);  //[I@1540e19d  对象，数组
        for (int i : arrays[0]) {
            System.out.print(i);  //123
        }
        System.out.println();

        for (int i = 0; i < arrays.length; i++) {
            for (int j = 0; j < arrays[i].length; j++) {
                System.out.print(arrays[i][j]);  //12345
            }
        }
    }
}

六、Arrays 类（专门操作数组的类）

• 数组的工具类 java.util.Arrays
• 由于数组对象本身并没有什么方法可以供我们调用，但 API 中提供了一个工具类 Arrays 供我们使用，从而可以对数据对象进行一些基本的操作。
• 查看 JDK 帮助文档
• Arrays 类中的方法都是 static 修饰的静态方法，在使用的时候可以直接使用类名进行调用，而不用使用对象来调用（注意：是“不用”，而不是“不能”）
• 具有以下常用功能：
  • 给数组赋值：通过 fill() 方法，数组填充。
  • 对数组排序：通过 sort() 方法，按升序。
  • 比较数组：通过 equals() 方法，比较数组中元素值是否相等。
  • 查找数组元素：通过 binarySearch() 方法，能对排序好的数组进行二分查找法操作。

public class Arrays_Exer {
    public static void main(String[] args) {
        int[] a = {7, 2, 4, 1, 0, 6};

        //打印数组元素
        System.out.println(Arrays.toString(a));  //[7, 2, 4, 1, 0, 6]
        //自定义 打印数组元素
        printArray(a);  //[7, 2, 4, 1, 0, 6]

        //对数组排序
        Arrays.sort(a);
        System.out.println(Arrays.toString(a));  //[0, 1, 2, 4, 6, 7]

        //给数组赋值：数组填充
        Arrays.fill(a, 0);
        System.out.println(Arrays.toString(a));  //[0, 0, 0, 0, 0, 0]
        Arrays.fill(a, 2, 4, 6);  // 2~4 之间被 6 填充
        System.out.println(Arrays.toString(a));  //[0, 0, 6, 6, 0, 0]
    }

    //打印数组元素
    //重复造轮子：别人做好的事，不建议重新做，但是要了解原理
    public static void printArray(int[] arrays){
        System.out.print("[");
        for (int i = 0; i < arrays.length; i++) {
            if (i != arrays.length - 1) {
                System.out.print(arrays[i] + ", ");
            } else {
                System.out.print(arrays[i]);
            }
        }
        System.out.println("]");
    }
}

七、冒泡排序

• 冒泡排序无疑是最为出名的排序算法之一，总共有八大排序

  

• 冒泡的代码还是相当简单的，两层循环，外层冒泡轮数，里层依次比较，人尽皆知

  public class BubbleSort {
      public static void main(String[] args) {
          /* 冒泡排序
          1.比较数组中，两个相邻的元素，如果第一个数比第二个数大，我们就交换它们的位置
          2.每一次比较，都会产生出一个最大或最小的数字
          3.下一轮则可以少一次排序
          4.依次循环，直到结束
           */
          int[] a = {7, 2, 4, 1, 0, 6};
          System.out.println(Arrays.toString(bubbleSort(a)));
      }
  
      public static int[] bubbleSort(int[] arrays){
          //临时变量
          int temp = 0;
  
          //外层循环，判断要走多少次
          for (int i = 0; i < arrays.length - 1; i++) {
              //内层循环，比较判断两个数，如果第一个数比第二个数大，则交换位置
              for (int j = 0; j < arrays.length - 1 - i; j++) {
                  if (arrays[j + 1] < arrays[j]) {
                      temp = arrays[j];
                      arrays[j] = arrays[j + 1];
                      arrays[j + 1] = temp;
                  }
              }
          }
          return arrays;
      }
  }
  

• 我们看到嵌套循环，应该立马就可以得出这个算法的时间复杂度为O(n2)

• 思考：如何优化？

  public class BubbleSort_Optimization {
      public static void main(String[] args) {
          /* 冒泡排序
          1.比较数组中，两个相邻的元素，如果第一个数比第二个数大，我们就交换它们的位置
          2.每一次比较，都会产生出一个最大或最小的数字
          3.下一轮则可以少一次排序
          4.依次循环，直到结束
           */
          int[] a = {7, 2, 4, 1, 0, 6};
          System.out.println(Arrays.toString(bubbleSort(a)));
      }
  
      public static int[] bubbleSort(int[] arrays){
          //临时变量
          int temp = 0;
  
          //外层循环，判断要走多少次
          for (int i = 0; i < arrays.length - 1; i++) {
  
              //通过 flag 标识位减少没有意义的比较，省略最后一轮的比较
              boolean flag = false;
  
              //内层循环，比较判断两个数，如果第一个数比第二个数大，则交换位置
              for (int j = 0; j < arrays.length - 1 - i; j++) {
                  if (arrays[j + 1] < arrays[j]) {
                      temp = arrays[j];
                      arrays[j] = arrays[j + 1];
                      arrays[j + 1] = temp;
  
                      flag = true;
                  }
              }
              //没有进行比较，说明已经结束，跳出循环，最后一轮就不用走了，少走一轮
              if (flag == false) {
                  break;
              }
          }
          return arrays;
      }
  }
  

八、稀疏数组

1.稀疏数组

• 简单的数据结构，用来压缩数组，便于保存，大大减少空间储存量

• 需求：编写五子棋游戏中，有存盘和续上盘的功能。

  

  • 分析问题：因为该二维数组的很多值是默认值0，因此记录了很多没有意义的数据。

  • 解决：稀疏数组（压缩算法）

2.稀疏数组介绍

• 当一个数组中大部分元素为 0 ，或者为同一值的数组时，可以使用稀疏数组来保存该数组。

• 稀疏数组的处理方式是：

  • 记录数组一共有几行几列，有多少个不同值
  • 把具有不同值的元素和行列及值记录在一个小规模的数组中，从而缩小程序的规模（压缩：在最初的时候可以节省空间）

• 如下图：左边是原始数组，右边是稀疏数组

  

public class SparseArray {
    public static void main(String[] args) {
        /*
        0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0  ==>  行  列  值
        0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0       11 11 2
        0 0 0 2 0 0 0 0 0 0 0       1  2  1
        0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0       2  3  2
        0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
        0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
        0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
        0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
        0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
        0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
        0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
         */
        //1.创建一个二维数组 11 * 11， 0：没有棋子，1：黑棋， 2：白棋
        int[][] arrays = new int[11][11];
//        Arrays.fill(arrays, 0);
        arrays[1][2] = 1;
        arrays[2][3] = 2;

        //输出原始的数组
        for (int[] array : arrays) {
            for (int i : array) {
                System.out.print(i + " ");
            }
            System.out.println();
        }
        System.out.println();

        //转换为稀疏数组
        //1.获取有效值个数
        int sum = 0;
        for (int i = 0; i < arrays.length; i++) {
            for (int j = 0; j < arrays[0].length; j++) {
                if (arrays[i][j] != 0) {
                    sum ++;
                }
            }
        }
        System.out.println("行\t" + "列\t" + "值");

        //2.创建一个稀疏数组的数组
        int[][] arrays2 = new int[sum + 1][3];  //固定的 3 列：行、列、值
        arrays2[0][0] = arrays.length;
        arrays2[0][1] = arrays[0].length;
        arrays2[0][2] = sum;

        //3.遍历二维数组，将非 0 的值，存放到稀疏数组中
        int count = 0;  //计数
        for (int i = 0; i < arrays.length; i++) {
            for (int j = 0; j < arrays[i].length; j++) {
                if (arrays[i][j] != 0) {
                    count ++;
                    arrays2[count][0] = i;
                    arrays2[count][1] = j;
                    arrays2[count][2] = arrays[i][j];
                }
            }
        }
        //输出稀疏数组
        for (int[] array2 : arrays2) {
            for (int i2 : array2) {
                System.out.print(i2 + "\t");
            }
            System.out.println();
        }
        System.out.println();

        //还原稀疏数组：根据稀疏数组重新构建一个数组
        //1.读取稀疏数组的值
        int[][] arrays3 = new int[arrays2[0][0]][arrays2[0][1]];

        //2.给其中的元素还原它的值
        for (int i = 1; i < arrays2.length; i++) {
            arrays3[arrays2[i][0]][arrays2[i][1]] = arrays2[i][2];
        }

        //3.打印还原
        for (int[] array3 : arrays3) {
            for (int i3 : array3) {
                System.out.print(i3 + " ");
            }
            System.out.println();
        }
    }
}

• 总结：稀疏数组，记录有效的坐标，记录原始坐标的大小以及它的有效值，记录每一个值的坐标，变成一个新的数组