【Java】——数组深度解析（从内存原理到高效应用实践）

🎁个人主页：User_芊芊君子
🎉欢迎大家点赞👍评论📝收藏⭐文章
🔍系列专栏：【Java】内容概括

【前言】

在Java编程的世界里，数组是一种基本且强大的数据结构，它能够在一块连续的内存空间中存储多个相同类型的数据元素。无论是开发小型应用，还是构建大型系统，数组都扮演着不可或缺的角色。本文将深入探讨Java数组的定义、初始化、访问以及常见操作，帮助你全面掌握这一重要概念。

一、数组的基本概念

1. 什么是数组

数组是一种复合数据类型，它可以看作是一个容器，用于存储多个相同类型的变量。这些变量在内存中按顺序排列，每个变量都有一个唯一的索引，通过索引可以快速访问数组中的元素。在Java中，数组是对象，无论它存储的是基本数据类型还是引用数据类型。

• 数组中存放的元素类型相同；
• 数组的空间是连在一起的；
• 每个空间都有自己的编号，起始位置编号为0，即数组下标；

2. 数组的创建及初始化

2.1 数组的创建

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：表⽰数组的⻓度

int[] array1 = new int[10];
float[] array2 = new float[20];
String[] array3 = new String[30];

2.2 数组的初始化

数组的初始化主要分为动态初始化以及静态初始化。

• 动态初始化：在创建一个数组时，直接指定数组元素的个数

int[] array = new int[10];

• 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

int[] array1 = new int[]{0,1,2,3,4,5};
float[] array2 = new float[]{0,1,2,3,4,5};
String[] array3 = new String[]{0,1,2,3,4,5};

【注意】

• 静态初始化虽然没有指定数组长度，编译器在编译时会根据{}中的元素个数来确定数组的长度；
• 静态初始化时，{}中数据类型必须与[ ]前数据类型一致；
• 静态初始化可以简写，省去后面的new T[ ];

java int[] array1 = {0,1,2,3,4,5}; 
float[] array2 = {0,1,2,3,4,5};
String[] array3 = {0,1,2,3,4,5};

• 静态和动态初始化也可以分为两步，但是省略格式不可以

int[] array;
array = new int[5];

• 如果没有对数组进⾏初始化，数组中元素有其默认值

如果数组中存储元素类型为引⽤类型，默认值为null

String name = new String[2];//nall,nall

3. 数组的使用

3.1 数组中元素访问

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。

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        int[] array = new int[]{12,55,94,66,33};
        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]);
    }
}

下标的访问不能越界

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        int[] array = new int[5];
        System.out.println(array[6]);//越界了
    }
}

3.2 遍历数组

遍历数组就是将数组中的所有元素都访问一遍，访问是对所有元素进行某种操作，eg: 打印

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

• 这样写，修改起来就比较麻烦，我们可以用循环来进行打印

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        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]);
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            System.out.println(array[i]);
        }
    }
}

• 在数组中可以通过 数组对象.length 来获取数组的⻓度

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        int[] array = new int[]{10,20,30,40,50};
        for (int i = 0; i < array.length; i++) {
            System.out.println(array[i]);
        }
    }
}

• 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. 取得数组的每个元素，并放到x中可以避免循环条件和更新语句写错.

    int[] array = {1,2,3};
    for(int x : array){
        System.out.println(x);
        }

二、数组是引用类型

1. 初始JVM的内存分布

• 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。
• 本地⽅法栈(NativeMethod 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} )，堆是随着程序开始运⾏时⽽创建，随着程序的退出⽽销毁，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

2. 基本类型变量与引⽤类型变量的区别

• 基本数据类型创建的变量，称为基本变量，该变量空间中直接存放的是其所对应的值；
• 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。

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        int a = 10;
        int b = 20;
        int[] array = {1,2,3};
        int[] array1 = nall;//当一个引用不知道初始化什么的时候，就初始化成nall
    }
}

• 栈上变量的地址是获取不到的
• 当一个引用不知道初始化什么的时候，就初始化成nall

3. 引用变量

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        int[] array1 = new int [3];
        array1[0] = 10;
        array1[1] = 20;
        array1[2] = 30;

        int[] array2 = new int[]{1,2,3,4,5};
        array2[0] = 100;
        array2[1] = 200;

        array1 = array2;
        array1[2] = 300;
        array2[3] = 400;
        array2[4] = 400;
        for (int i = 0; i < array2.length; i++) {
            System.out.println(array2[i]);
        }
    }
}

4. nall

null 在 Java 中表⽰ “空引⽤” , 也就是⼀个不指向对象的引⽤.

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        int[] array = null;
        System.out.println(array.length );
    }
}

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NullPointerException. 空指针异常

三、数组的应用

1. 保存数据

这里就不多做解释了

2. 作为函数的参数

• 参数传基本数据类型
  发现在func⽅法中修改形参 x 的值, 不影响实参的 num 值.

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        int num = 100;
        ch(num);
        System.out.println("num = " + num);
    }
    public static void ch(int x){
        x = 0;
        System.out.println("x=" + x);
    }
}

• 参数传数组类型(引⽤数据类型)
  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.

public class Test {
    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]);
    }
}

因为数组是引⽤类型，按照引⽤类型来进⾏传递，是可以修改其中存放的内容的。
【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⻉

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        int[] array = {1, 2, 3, 4, 5};
        test1(array);
        printArray(array);
    }

    public static void printArray(int[] array) {
        for (int i = 0; i < array.length; i++) {
            System.out.println(array[i] + " ");
        }
        System.out.println();
    }
    public static void test1(int[] array){
        array[0] = 99;
    }
}

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        int[] array = {1, 2, 3, 4, 5};
        test2(array);
        printArray(array);
    }

    public static void printArray(int[] array) {
        for (int i = 0; i < array.length; i++) {
            System.out.println(array[i] + " ");
        }
        System.out.println();
    }
    public static void test2(int[] array){
        array = new int[]{100, 200, 300, 400, 500};
    }
}

3. 作为函数返回值

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        int[] array = fun();
        String str = Arrays.toString(array);
        System.out.println(str);
    }
    public static int[] fun(){
        int a = 1;
        int b = 2;
        int[] ret = new int[]{a,b};
        return ret;
    }
}

四、操作数据⼯具类Arrays与数组练习

1. 数组转字符串

Java 中提供了java.util.Arrays包, 其中包含了⼀些操作数组的常⽤⽅法.使⽤这个⽅法后续打印数组就更⽅便⼀些.

import java.util.Arrays;
public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        int[] arr ={1,2,3,4,5,6};
        String newArr = Arrays.toString(arr);
        System.out.println(newArr);

    }
//    public static String myToString(int[] array){
//        String ret = "[";
//        for (int i = 0; i < array.length; i++) {
//            ret += array[i];
//            if(i != array.length-1){
//                ret +=",";
//            }
//        }
//        ret += "]";
//        return ret;
//    }
}

2. 数组拷贝

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        int[] array1 = {1,2,3,4,5};
        int[] array2 = new int[array1.length];
        System.out.println("拷贝前:");
        System.out.println("array1:"+Arrays.toString(array1));
        System.out.println("array2:"+Arrays.toString(array2));

        for (int i = 0; i < array1.length; i++) {
            array2[i] = array1[i];
        }
        System.out.println("拷贝后:");
        System.out.println("array1:"+Arrays.toString(array1));
        System.out.println("array2:"+Arrays.toString(array2));
    }
}

3. 查找数组中的制定元素

3.1 顺序查找

给定⼀个数组, 再给定⼀个元素, 找出该元素在数组中的位置.

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        int[] array1 = {1,2,3,4,5};
        int ret = find(array1,4);
        if(ret == -1){
            System.out.println("找不到");
        }
        System.out.println(ret);
    }
    public static int find(int[] array1,int key){
        for (int i = 0; i < array1.length; i++) {
            if(array1[i] == key){
                return i;
            }
        }
        return -1;
    }
}

3.2 二分查找

针对有序数组, 可以使⽤更⾼效的⼆分查找.

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        int[] array = {1, 2, 3, 4, 5};
        int ret = find(array, 3);
        if (ret == -1) {
            System.out.println("找不到");
        } else {
            System.out.println(ret);
        }
    }
    public static int find(int[] array,int key){
        int i = 0;
        int j = array.length-1;
        while(i <= j){
            int mid = (i+j)/2;
            if(array[mid] < key){
                i = mid + 1;
            }else if(array[mid] > key){
                i = mid - 1;
            }else{
                return mid;
            }
        }
        return -1;
    }
}

4. 数组排序（冒泡排序）

给定⼀个数组, 让数组升序 (降序) 排序.

假设排升序：

1. 将数组中相邻元素从前往后依次进⾏⽐较，如果前⼀个元素⽐后⼀个元素⼤，则交换，⼀趟下来后最⼤元素就在数组的末尾
2. 依次从上上述过程，直到数组中所有的元素都排列好

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        int[] array = {3,5,23,7,9,33,42,12};
        bubbleSort(array);
        System.out.println("排序后："+Arrays.toString(array));
    }
    public static void bubbleSort(int[] array){
        for (int i = 0; i < array.length-1; i++) {
            for(int j = 0;j < array.length-1;j++){
                if(array[j] > array[j+1]){
                    int tmp = array[j];
                    array[j] = array[j+1];
                    array[j+1] = tmp;
                }
            }
        }
    }
}

Java中内置了更高效的排序算法

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

5. 数组逆序

给定⼀个数组, 将⾥⾯的元素逆序排列.

• 设定两个下标, 分别指向第⼀个元素和最后⼀个元素.
• 交换两个位置的元素. 然后让前⼀个下标⾃增, 后⼀个下标⾃减, 循环继续即可.

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        int[] array = {1,2,3,5,6,9};
        reverse(array);
        System.out.println(Arrays.toString(array));
    }
    public static void reverse(int[] array){
        int i = 0;
        int j = array.length-1;
        while(i <j){
            int tmp = array[i];
            array[i] = array[j];
            array[j] = tmp;
            i++;
            j--;
        }
    }
}

五、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.

1.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 };

列可以省略，行不可以省略

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        int[][] array = {{1, 2, 3}, {4, 5, 6}};
//        int[][] arr1 = new int[2][3];
//        int[][] arr3 = new int[][]{{1, 2, 3}, {4, 5, 6}};
        for (int i = 0; i < array.length; i++) {
            for (int j = 0; j < array[i].length; j++) {
                System.out.print(array[i][j]+" ");
            }
            System.out.println();
        }
    }
}

• ⼆维数组是特殊的⼀维数组，⼀维数组的每个元素⼜是⼀个数组
• arr.length 代表⼆维数组的⾏数
• arr[row].length 代表⼆维数组的列数

2. 不规则二维数组

不规则的⼆维数组指的是，⼆维数组的列在定义的时候，没有确定。

int[][] array = new int [2][];
array[0] = new int[3];
array[1] = new int[5];

这就不是⼀个规则的⼆维数组。第1⾏有3列，第2⾏有5列。

【总结】

• 数组作为Java编程的基础数据结构，掌握其定义和使用方法是迈向高级编程的重要一步。通过本文的介绍，希望你对Java数组有了更深入的理解，并能在实际项目中灵活运用。随着学习的深入，你会发现数组在算法设计、数据处理等领域发挥着更大的作用。
• 在日常开发中，建议养成良好的编码习惯，合理使用数组，提高程序的性能和可读性。如果你对数组还有其他疑问，欢迎在评论区留言交流。
• 数组是通往更高级数据结构和算法的基石，祝愿大家在这里是引用 Java编程的道路上越走越远，创造出更优秀的程序！