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title: Java数组
date: 2020-05-24 18:59:37
tags:
- Java
categories:
- Java基础
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## 数组概述
**`数组的定义:`**
* 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。
### 数组的声明创建
首先必须声明数组变量，才能在程序中使用数组。下面是声明数组变量的语法：
```java
dataType[] arrayRefVar; //首选的方法
或
dataType arrayRefVar[]; //效果相同，但不是首选方法，不推荐使用
```
Java语言使用`new` 操作符来创建数组，语法如下：
```java
dataType[] arrayRefVar = new dataType[arraySize];
```
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`
声明时数组在内存中并不存在，只有在创建数组时，才会在内存中为数组分配指定的空间。
### Java内存分析
`数组在内存中的创建过程:`
1. 在声明数组时会在栈中压入数组名
2. 创建数组时会在堆中开辟指定的空间用来存放数组
3. 给数组赋值，将值存放在堆中数组对应的空间里
### 数组的三种初始化
* **静态初始化**
```java
int[] a = {1,2,3};
Man[] mans ={new Man(1,1),new Man(2,2)};
```
* **动态初始化**
```java
int[] a = new int[2]; //创建数组 默认初始化
a[0] = 1;
a[1] = 2;
```
* **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。
### 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他对象类型，数组对象本身是在堆中的。
### 数组边界
下标的合法区间：[0,length-1]，如果越界就会报错；
```java
public static void main(String[] args){
int[] a = new int[2];
System.out.println(a[2]); //报错
}
```
ArraylndexOutOfBoundsException：数组下标越界异常！
> **`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
> * 数组长度的确定的，不可变的。如果越界，则报：ArraylndexOutofBounds
## 数组的使用
数组一般可以配合循环来使用。
```java
public class ArrayDemo {
public static void main(String[] args) {
int[] arrays = {1,2,3,4,5};
//打印全部的数组元素
for (int i = 0; i < arrays.length; i++) {
System.out.println(arrays[i]);
}
//打印所有元素的和
int sum = 0;
for (int i = 0; i < arrays.length; ++i) {
sum += arrays[i];
}
System.out.println("sum="+sum);
//查找最大最小元素
int max = array[0];//创建变量，存储遍历数组时发现的最大值，
//初始值赋为数组中第一个元素而不赋为0，是为了避免数组中没有比0大的值，这样就会输出错误的值
int min = array[0]
for (int i = 1; i < arrays.length; i++) {
max = max > arrays[i] ? max : arrays[i];
min = min < arrays[i] ? min : arrays[i]
}
System.out.println("max="+max+"\nmin="+"min");
}
}
```
### for-each循环(增强型for循环)
```java
public class ArrayDemo {
public static void main(String[] args) {
int[] arrays = {1,2,3,4,5};
for(int array : arrays){ //这种方式没有下标，适合打印输出
System.out.println(array);
}
}
}
```
### 数组作方法入参和作返回值
```java
public class ArrayDemo {
public static void main(String[] args) {
int[] arrays = {1,2,3,4,5};
int[] arraysReverse = reverse(arrays);
printArray(arraysReverse);
}
//打印数组元素
public static void printArray(int[] arrays){ //数组作为方法的传入参数
for (int i = 0; i < arrays.length; i++){
System.out.print(arrays[i]+" ");
}
}
//反转数组
public static int[] reverse(int[] arrays){
int[] result = new int[arrays.length];
for (int i = 0; i < arrays.length; i++){
result[result.length-i-1] = arrays[i];
}
return result; //数组作为返回值
}
}
```
### 数组的常用算法
####冒泡排序
如果遇到相等的值不进行交换，那这种排序方式是稳定的排序方式。
原理：比较两个相邻的元素，将值大的元素交换到右边
思路：依次比较相邻的两个数，将比较小的数放在前面，比较大的数放在后面。
算法分析：
N个数字要排序完成，总共进行N-1趟排序，每i趟的排序次数为(N-i)次，所以可以用双重循环语句，外层控制循环多少趟，内层控制每一趟的循环次数
冒泡排序的优点：每进行一趟排序，就会少比较一次，因为每进行一趟排序都会找出一个较大值。如上例：第一趟比较之后，排在最后的一个数一定是最大的一个数，第二趟排序的时候，只需要比较除了最后一个数以外的其他的数，同样也能找出一个最大的数排在参与第二趟比较的数后面，第三趟比较的时候，只需要比较除了最后两个数以外的其他的数，以此类推……也就是说，没进行一趟比较，每一趟少比较一次，一定程度上减少了算法的量。
时间复杂度
1.如果我们的数据正序，只需要走一趟即可完成排序。所需的比较次数C和记录移动次数M均达到最小值，即：$C_{min}=n-1$；$M_{min}=0$;所以，冒泡排序最好的时间复杂度为O(n)。
2.如果很不幸我们的数据是反序的，则需要进行n-1趟排序。每趟排序要进行n-i次比较(1≤i≤n-1)，且每次比较都必须移动记录三次来达到交换记录位置。在这种情况下，比较和移动次数均达到最大值：
$$C_{max} =\cfrac{n(n-1)}{2} = O(n^2)$$
$M_{max} =\cfrac{3n(n-1)}{2} = O(n^2)$
综上所述：冒泡排序总的平均时间复杂度为：$O(n^2)$ ,时间复杂度和数据状况无关。
> Java代码实现
>
> ```java
> //冒泡排序
> public static int[] bubbleSort(int[] array){
> int temp = 0;
> //外层循环控制比较的轮次 : length-1轮
> for (int i = 0; i < array.length-1; i++){
> //内层循环控制每轮比较的次数
> //第i轮（i从0开始计算），比较次数为length-i-1
> for (int j = 0; j < array.length-1-i; j++) {
> if (array[j+1] temp = array[j];
> array[j] = array[j+1];
> array[j+1] = temp;
> }
> }
> }
> return array;
> }
> ```
#### 二分查找（折半查找）
**概述**
二分查找也称折半查找（Binary Search），它是一种效率较高的查找方法。但是，二分查找要求数组数据必须采用顺序存储结构有序排列。
**原理 **
首先，假设数组中元素是按升序排列，将数组中间位置的数据与查找数据比较，如果两者相等，则查找成功；否则利用中间位置记录将数组分成前、后两个子数组，如果中间位置数据大于查找数据，则进一步查找前子数组，否则进一步查 找后子数组。
重复以上过程，直到找到满足条件的数据，则表示查找成功， 直到子数组不存在为止，表示查找不成功。
> Java代码实现
>
> ```java
> public class Demo5 {
>
> /**
> * 二分查找（折半查找）
> */
> public static void main(String[] args) {
> //定义一个有序数组
> int[] nums = {10,20,30,40,50,60,70,80,90};
> //要查找的数据
> int num = 20;
> bubbleSort(nums,num);
>
> System.out.println("位置："+centerIndex);
>
> }
> }
> public int binarySearch(int[] array，int num){
> //1. 最小范围下标
> int minIndex = 0;
> //2. 最大范围下标
> int maxIndex = array.length-1;
> //3. 中间数据下标
> int centerIndex = (minIndex+maxIndex)/2;
> while(true) {
> System.out.println("循环了一次");
> if(array[centerIndex]>num) {
> //中间数据较大
> maxIndex = centerIndex-1;
> }else if(array[centerIndex] //中间数据较小
> minIndex = centerIndex+1;
> }else {
> //找到了数据 数据位置：centerIndex
> break;
> }
>
> if(minIndex > maxIndex) {
> centerIndex = -1;
> break;
> }
> //当边界发生变化， 需要更新中间下标
> centerIndex = (minIndex+maxIndex)/2;
> }
> return centerIndex;
> }
> ```
####
## 多维数组
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
```java
int[][] a = new int[2][5] //二维数组a可以看成一个两行5列的数组
```
```java
public class ArrayDemo {
public static void main(String[] args) {
int[][] arrays= {{1,2},{2,3},{3,4},{4,5}};
//将数组遍历打印出来
for (int i = 0; i < arrays.length; i++){
for (int j = 0; j < arrays[i].length; j++){
System.out.print(arrays[i][j]+" ");
}
}
}
```
## Java的Arrays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。
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”）
Arrays类具有以下**常用**功能
* 给数组赋值：通过fill方法。
* 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。
具体使用可参考[JDK文档](https://www.matools.com/api/java8)
## 稀疏数组
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的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
> 如下图：左边是原始数组，右边是稀疏数组
>
> 
>
> | | 行 | 列 | 值 | 含义 |
> | :--: | :--: | :--: | :--: | :-------------------------------------: |
> | [0] | 6 | 7 | 8 | 表示这是一个6行7列的数组，有效值有 8 个 |
> | [1] | 0 | 3 | 22 | 第一个有效值位于第0行第3列，值为22 |
> | [2] | 0 | 6 | 15 | 第二个有效值位于第0行第6列，值为15 |
> | [3] | 1 | 1 | 11 | 第三个有效值位于第1行第1列，值为11 |
> | [4] | 1 | 5 | 17 | 第四个有效值位于第1行第5列，值为17 |
> | [5] | 2 | 3 | -6 | 第五个有效值位于第2行第3列，值为-6 |
> | [6] | 3 | 5 | 39 | 第六个有效值位于第3行第5列，值为39 |
> | [7] | 4 | 0 | 91 | 第七个有效值位于第4行第0列，值为91 |
> | [8] | 5 | 2 | 28 | 第八个有效值位于第5行第2列，值为28 |
```java
/**** 转为稀疏数组 ****/
public static int[][] toSparseArray(int[][] arr){
//获取有效值的个数
int sum = 0;
for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
for (int j = 0; j < arr[i].length; j++) {
if (arr[i][j] != 0) {
sum++;
}
}
}
//新建一个稀疏数组
int[][] arr2 = new int[sum+1][3];
arr2[0][0] = arr.length;
arr2[0][1] = arr[0].length;
arr2[0][2] = sum;
//遍历arr,将非零的值的信息，存放入稀疏数组中
int count = 0;
for (int i = 1; i < arr.length; i++) {
for (int j = 0; j < arr[i].length; j++) {
if(arr[i][j] != 0){
count++;
arr2[count][0] = i;
arr2[count][1] = j;
arr2[count][2] = arr[i][j];
}
}
}
return arr2;
}
/**** 稀疏数组转为普通数组 ****/
public static int[][] sparseToArray(int[][] arr){
//读取稀疏数组,并新建一个数组
int[][] arr2 = new int[arr[0][0]][arr[0][1]];
//还原稀疏数组
for (int i = 1; i < arr.length; i++) {
arr2[arr[i][0]][arr[i][1]] = arr[i][2];
}
return arr2;
}
```