【Java.SE】数组的定义与使用-Toy模板网

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作者简介： 辭七七，目前大一，正在学习C/C++，Java，Python等
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文章收录专栏：Java.SE，本专栏主要讲解运算符，程序逻辑控制，方法的使用，数组的使用，类和对象，继承和多态，抽象类和接口等内容
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【Java.SE】数组的定义与使用

1. 数组的基本概念

1.1 什么是数组

数组：可以看成是相同类型元素的一个集合。 在内存中是一段连续的空间。比如现实中的车库：

【Java.SE】数组的定义与使用

在java中，包含6个整形类型元素的数组，就相当于上图中连在一起的6个车位，从上图中可以看到：

数组中存放的元素其类型相同
数组的空间是连在一起的
每个空间有自己的编号，其实位置的编号为0，即数组的下标。

1.2 数组的创建及初始化

1.2.1 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：表示数组的长度

int[] array1 = new int[10];       // 创建一个可以容纳10个int类型元素的数组

double[] array2 = new double[5];  // 创建一个可以容纳5个double类型元素的数组

String[] array3 = new double[3];  // 创建一个可以容纳3个字符串元素的数组

数组的定义：

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

画图理解：
【Java.SE】数组的定义与使用

1.2.2 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：在创建数组时，直接指定数组中元素的个数

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
语法格式：T[] 数组名称 = {data1, data2, data3, ..., datan};

int[] array1 = new int[]{0,1,2,3,4,5,6,7,8,9};

double[] array2 = new double[]{1.0, 2.0, 3.0, 4.0, 5.0};

String[] array3 = new String[]{"hell", "Java", "!!!"};

【注意事项】

静态初始化虽然没有指定数组的长度，编译器在编译时会根据{}中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[]。

// 注意：虽然省去了new T[], 但是编译器编译代码时还是会还原

int[] array1 = {0,1,2,3,4,5,6,7,8,9};

double[] array2 = {1.0, 2.0, 3.0, 4.0, 5.0};

String[] array3 = {"hell", "Java", "!!!"};

打印结果：
【Java.SE】数组的定义与使用
这说明数组里存储的是地址。（可以理解成地址，但是不是真实的地址，是哈希值）

数组也可以按照如下C语言个数创建，不推荐

/*

该种定义方式不太友好，容易造成数组的类型就是int的误解

[]如果在类型之后，就表示数组类型，因此int[]结合在一块写意思更清晰

*/

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

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[] array1;

array1 = new int[10];
 

int[] array2;

array2 = new int[]{10, 20, 30};
 

// 注意省略格式不可以拆分, 否则编译失败

// int[] array3;
// array3 = {1, 2, 3};

如果没有对数组进行初始化，数组中元素有其默认值
1. 如果数组中存储元素类型为基类类型，默认值为基类类型对应的默认值，比如：
2. 如果数组中存储元素类型为引用类型，默认值为null

1.3 数组的使用

1.3.1 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。比如：

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]);
 

// 也可以通过[]对数组中的元素进行修改

array[0] = 100;

System.out.println(array[0]);

【注意事项】

数组是一段连续的内存空间，因此支持随机访问，即通过下标访问快速访问数组中任意位置的元素
下标从0开始，介于[0, N）之间不包含N，N为元素个数，不能越界，否则会报出下标越界异常。

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

System.out.println(array[3]);  // 数组中只有3个元素，下标一次为：0 1 2，array[3]下标越界

 

// 执行结果

Exception in thread "main" java.lang.ArrayIndexOutOfBoundsException: 100

        at 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.
【异常】：

算数异常
数组越界异常

1.3.2 遍历数组

所谓 “遍历” 是指将数组中的所有元素都访问一遍, 访问是指对数组中的元素进行某种操作， 比如：打印。

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]);

上述代码可以起到对数组中元素遍历的目的，但问题是：

如果数组中增加了一个元素，就需要增加一条打印语句
如果输入中有100个元素，就需要写100个打印语句
如果现在要把打印修改为给数组中每个元素加1，修改起来非常麻烦。

通过观察代码可以发现，对数组中每个元素的操作都是相同的，则可以使用循环来进行打印。

int[]array = new int[]{10, 20, 30, 40, 50};

for(int i = 0; i < 5; i++){
    System.out.println(array[i]);
}

改成循环之后，上述三个缺陷可以全部2和3问题可以全部解决，但是无法解决问题1。那能否获取到数组的长度呢？
注意：在数组中可以通过数组对象.length 来获取数组的长度

int[]array = new int[]{10, 20, 30, 40, 50};

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

也可以使用 for-each 遍历数组

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

for (int x : array) {
    System.out.println(x);
}

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.
【for-each循环和for循环的区别】：
for-each循环拿不到下标

2. 数组是引用类型

2.1 初始JVM的内存分布

内存是一段连续的存储空间，主要用来存储程序运行时数据的。比如：

程序运行时代码需要加载到内存
程序运行产生的中间数据要存放在内存
程序中的常量也要保存
有些数据可能需要长时间存储，而有些数据当方法运行结束后就要被销毁

如果对内存中存储的数据不加区分的随意存储，那对内存管理起来将会非常麻烦。
因此JVM也对所使用的内存按照功能的不同进行了划分：
【Java.SE】数组的定义与使用
平时所说的栈就是Java虚拟机栈，局部变量存放在栈里

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(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} )，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。现在我们只简单关心堆和虚拟机栈这两块空间，后序JVM中还会更详细介绍。

2.2 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 static void func() {
    int a = 10;
    int b = 20;
    int[] array = new int[]{1,2,3};
}

在上述代码中，a、b、arr，都是函数内部的变量，因此其空间都在main方法对应的栈帧中分配。

a、b是内置类型的变量，因此其空间中保存的就是给该变量初始化的值。

array是数组类型的引用变量，其内部保存的内容可以简单理解成是数组在堆空间中的首地址。
【Java.SE】数组的定义与使用
从上图可以看到，引用变量并不直接存储对象本身，可以简单理解成存储的是对象在堆中空间的起始地址。通过该地址，引用变量便可以去操作对象。有点类似C语言中的指针，但是Java中引用要比指针的操作更简单。

图中是array这个引用指向了数组对象

2.3 再谈引用变量

 public static void main(String[] args) {
        int[] array = {1,2,3,4};
        int[] array2 = array;
    }

在栈上的存储布局图如下：
【Java.SE】数组的定义与使用

当前这个数组对象 有两个引用在指向
两个引用同时指向了一个对象

所以，当array[0] = 99
array2[0] = ?答案是99

问：引用可以指向引用吗？
答案是：不可以
引用要指向另一个引用所指向的对象
如：array2这个引用指向了array这个引用所指向的对象

public static void func() {
    int[] array1 = new int[3];
    array1[0] = 10;
    array1[1] = 20;
    array1[2] = 30;
    //执行完之后array1里放了三个变量，分别是10，20，30
 
    int[] array2 = new int[]{1,2,3,4,5};
    array2[0] = 100;
    array2[1] = 200;
    //执行完之后array2里放了五个变量，分别是100，200，3，4，5
 
    array1 = array2;
    array1[2] = 300;
    array1[3] = 400;
    array2[4] = 500;
    //这个代码首先是把array2里面的值赋给了array1，
    //此时array1里面的值变成了100，200，3，4，5
    //然后又对array1里面下标为2，3，4的值进行修改，
    //执行完之后array1里面的值变成了100，200，300，400，500
    for (int i = 0; i < array2.length; i++) {
       System.out.println(array2[i]);
   }
}

对第三段代码的画图理解：
【Java.SE】数组的定义与使用

当func方法执行完毕之后，此时array1，array2是局部变量，会被回收

【Java.SE】数组的定义与使用

2.4 认识 null

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

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。
NullPointerException为空指针异常，空指针异常会伴随整个学习的过程，如果以后空指针异常，那么要定位，看哪个指针是空的

注意: Java 中并没有约定 null 和 0 号地址的内存有任何关联

3. 数组的应用场景

3.1 保存数据

public static void main(String[] args) {
    int[] array = {1, 2, 3};
    
    for(int i = 0; i < array.length; ++i){
        System.out.println(array[i] + " ");
   }
}

3.2 作为函数的参数

我们先来看一段代码：

public class TestDemo {
    public static void func1(int[] array) {
        array = new int[10];
    }

    public static void func2(int[] array) {
        array[0] = 99;
    }
    public static void main(String[] args) {
        int[] array1 = {1,2,3,4};
        func1(array1);
        for (int i = 0; i < array1.length; i++) {
            System.out.println(array1[i]+" ");
        }
        System.out.println();
        int[] array2 = {1,2,3,4};
        func2(array2);
        for (int i = 0; i < array2.length; i++) {
            System.out.println(array2[i]+" ");
        }
        System.out.println();
    }
}

调用func1部分的理解（调用func1会给array1分配一块内存）画图理解：
【Java.SE】数组的定义与使用
定义一个新的数组给array之后

影响了形参的指向，但是并不会影响实参的指向，所以打印结果为1，2，3，4

调用func2部分的理解（调用func2会给array2分配一块内存）画图理解：
【Java.SE】数组的定义与使用
在这种情况下可以通过修改形参的变量来改变实参

1. 参数传基本数据类型

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

发现在func方法中修改形参 x 的值, 不影响实参的 num 值。
2. 参数传数组类型(引用数据类型)

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

发现在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。
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贝（数组可能比较长，那么拷贝开销就会很大）。

3.3 作为函数的返回值

数组可以直接作为函数值返回，看如下代码：

public class TestDemo {
    public static int[] func3() {
        int[] array = {1, 2, 3, 4,5,6};
        return array;
    }

    public static void main(String[] args) {
        int[] ret = func3();
        for (int i = 0; i < ret.length; i++) {
            System.out.print(ret[i]+" ");
        }
    }
}

打印结果：
【Java.SE】数组的定义与使用

画图理解：
【Java.SE】数组的定义与使用
当func3走完之后，array在堆上的空间就会被回收掉，但是他所指向的对象依然存在，所以说对象一定在队上，引用变量不一定在栈上

比如：获取斐波那契数列的前N项

public class TestArray {
    public static int[] ﬁb(int n){
        if(n <= 0){
            return null;
       }
 
        int[] array = new int[n];
        array[0] = array[1] = 1;
        for(int i = 2; i < n; ++i){
            array[i] = array[i-1] + array[i-2];
       }
 
        return array;
   }
 
    public static void main(String[] args) {
        int[] array = ﬁb(10);
        for (int i = 0; i < array.length; i++) {
            System.out.println(array[i]);
       }
   }
}