Java学习：Java数组

三、Java数组

3.1 数组的概述

数组(Array)，是多个相同类型数据按一定顺序排列的集合，并使用一个名字命名，并通过编号的方式对这些数据进行统一管理。

• 数组本身是引用数据类型，而数组中的元素可以是任何数据类型，包括基本数据类型和引用数据类型。
• 创建数组对象会在内存中开辟一整块连续的空间，而数组名中引用的是这块连续空间的首地址。
• 数组的长度一旦确定，就不能修改。
• 我们可以直接通过下标(或索引)的方式调用指定位置的元素，速度很快。
• 数组的分类：

按照维度：一维数组、二维数组、三维数组、…
按照元素的数据类型分：基本数据类型元素的数组、引用数据类型元素的数组(即对象数组)

3.2 一维数组的使用

①一维数组的声明方式
type var[] 或 type[] var；
例如：

int a[];
int[] a1;
double b[];
String[] c; //引用类型变量数组

Java语言中声明数组时不能指定其长度(数组中元素的数)， 例如： int a[5]; //非法

②一维数组的初始化

• 动态初始化： 数组声明且为数组元素分配空间与赋值的操作分开进行

   int[] arr = new intr[3];
   arr[0] = 3;
   arr[1] = 9;
   arr[2] = 8;
   
   String names[];
   names =new =String[3];
   names[0] = "钱学森";
   names[1] = "邓稼先";
   names[2] = "袁隆平";
  

• 静态初始化： 在定义数组的同时就为数组元素分配空间并赋值。

  int arr[] = new int []{3,9,8};
  int [] arr = {3,9,8};
   
  String names[] = {
  "李四光”,"茅以升","华罗庚"
  }
  

③数组元素的引用

• 定义并用运算符new为之分配空间后，才可以引用数组中的每个元素；
• 数组元素的引用方式：数组名[数组元素下标]
  数组元素下标可以是整型常量或整型表达式。如a[3] , b[i] , c[6*i];
  数组元素下标从0开始；长度为n的数组合法下标取值范围: 0 —>n-1；如int a[]=new int[3]; 可引用的数组元素为a[0]、a[1]、a[2]
• 每个数组都有一个属性length指明它的长度，例如：a.length 指明数组a的长度(元素个数)
  数组一旦初始化，其长度是不可变的。

④数组元素的默认初始化值
数组是引用类型，它的元素相当于类的成员变量，因此数组一经分配空间，其中的每个元素也被按照成员变量同样的方式被隐式初始化。例如：

public class Test {
    
    
	public static void main(String args[]){
    
    
	int a[]= new int[5];
	System.out.println(a[3]); //a[3]的默认值为0
}
}
>对于基本数据类型而言，默认初始化值各有不同
>对于引用数据类型而言，默认初始化值为null(注意与0不同！)

数组元素类型	元素默认初始值
byte	0
short	0
int	0
long	0L
float	0.0F
double	0.0
char	0 或写为:’\u0000’(表现为空)
boolean	false
引用类型	null

⑤创建基本数据类型数组

• Java中使用关键字new来创建数组
• 如下是创建基本数据类型元素的一维数组

public class Tset{
    
    
	public static void main(String args[]){
    
    
		int[] s;   //处内存状态
		s = new int[10];
		for(int i=0;i<10;i++){
    
    
		s[i] = 2*i+1;
		System.out.println(s[i]);
		}
	}
}

public class Test{
    
    
	public static void main(String args[]){
    
    
		int[] s;
		s = new int[10];   //处内存状态
		//int[] s=new int[10];
		//基本数据类型数组在显式赋值之前，Java会自动给他们赋默认值。
		for ( int i=0; i<10; i++ ) {
    
    
			s[i] =2*i+1;
			System.out.println(s[i]);
		}
	}
}

public class Test{
    
    
	public static void main(String args[]){
    
    
		int[] s;
		s = new int[10];
		for ( int i=0; i<10; i++ ) {
    
    
			s[i] =2*i+1;   //处内存状态
			System.out.println(s[i]);
		}
	}
}

练习

/*
从键盘输入个数不确定的整数，并判断读入的正数和负数的个数，输入为0时结束程序
*/
import java.util.Scanner;
class Test 
{
    
    
	public static void main(String[] args) {
    
    
        //1.使用scanner，读取学生个数
        Scanner scanner=new Scanner(System.in);
        System.out.println("请输入学生人数：");
        int number=scanner.nextInt();
        //2.创建数组，存储学生成绩；动态初始化
        int[] scores=new int[number];
        //3.给数组中的元素赋值
        System.out.println("请输入"+number+"个学生成绩:");
        int maxScore=0;
        for (int i = 0; i < scores.length; i++) {
    
    
            scores[i]=scanner.nextInt();
            //4.获取数组中的元素最大值：最高分
            if (maxScore<scores[i]){
    
    
                maxScore=scores[i];
            }
        }
        //5.根据每个学生成绩与最高分的差值，得到每个学生的等级，并输出等级和成绩
        char level;
        for (int i = 0; i < scores.length; i++) {
    
    
            if (maxScore-scores[i]<=10){
    
    
                level='A';
            }else if (maxScore-scores[i]<=20){
    
    
                level='B';
            }else if (maxScore-scores[i]<=30){
    
    
                level='C';
            }else {
    
    
                level='D';
            }
            System.out.println("student "+i+"score is "+scores[i]+",gread is "+level);
        }
    }
}

>运行结果
请输入学生人数：
5
请输入5个学生成绩:
55
77
67
59
81
student 0score is 55,gread is C
student 1score is 77,gread is A
student 2score is 67,gread is B
student 3score is 59,gread is C
student 4score is 81,gread is A

3.3 多维数组的使用

• Java 语言里提供了支持多维数组的语法。
• 如果说可以把一维数组当成几何中的线性图形，那么二维数组就相当于是一个表格，像右图Excel中的表格一样。
• 对于二维数组的理解，我们可以看成是一维数组array1又作为另一个一维数组array2的元素而存在。其实，从数组底层的运行机制来看，其实没有多维数组。
  
  
  练习

/*1.获取arr数组中所有元素的和。*/

package test1j.ava;

public class shuzu {
    
    
	public static void main(String[] args) {
    
    
		int [][] arr = new int[][] {
    
    {
    
    3,5,8},{
    
    12,9},{
    
    7,0,6,4}};
		int num = 0;
		for(int i=0;i<arr.length;i++){
    
    
		    for(int j=0;j<arr[i].length;j++){
    
    
		        num += arr[i][j];
		    }
		}
		System.out.println(num);
	}
}

>运行结果 54

/*2.使用二维数组打印一个 10 行杨辉三角*/

package test1j.ava;

public class yanghui {
    
    
    public static void main(String[] args) {
    
    
        int n = 10; // 控制打印的行数

        int[][] arr = new int[n][];
        for (int i = 0; i < n; i++) {
    
    
            arr[i] = new int[i + 1];
            arr[i][0] = 1;
            arr[i][arr[i].length - 1] = 1;

            // 计算该行的数据
            for (int j = 1; j < arr[i].length - 1; j++) {
    
    
                arr[i][j] = arr[i - 1][j - 1] + arr[i - 1][j];
            }
        }

        // 打印杨辉三角
        for (int i = 0; i < n; i++) {
    
    
            for (int j = 0; j < arr[i].length; j++) {
    
    
                System.out.print(arr[i][j] + " ");
            }
            System.out.println();
        }
    }
}

>运行结果
1 
1 1 
1 2 1 
1 3 3 1 
1 4 6 4 1 
1 5 10 10 5 1 
1 6 15 20 15 6 1 
1 7 21 35 35 21 7 1 
1 8 28 56 70 56 28 8 1 
1 9 36 84 126 126 84 36 9 1 

/*3.创建一个长度为6的int型数组，要求数组元素的值都在1-30之间，且是随机赋值。同时，要求元素的值各不相同。*/

package test1j.ava;

import java.util.Random;
public class randnumber {
    
    
    public static void main(String[] args) {
    
    
        int[] nums = new int[6]; // 创建一个长度为6的int型数组
        Random rand = new Random(); // 创建一个伪随机数生成器

        // 循环生成一个数字，直到符合要求为止（1-30之间，且和数组中已有的数字不同）
        for (int i = 0; i < nums.length; i++) {
    
    
		int num;
		do {
    
    
		    num = rand.nextInt(30) + 1;
		} while (contains(nums, num, i));

		nums[i] = num; // 将符合条件的数字赋值给数组
        }

        // 打印数组的元素
    	System.out.print("随机生成的数组为{");
        for (int s=0;s<6;s++) {
    
    
        	if(s==5){
    
    
        		System.out.print(nums[s]);
        	}else
            System.out.print(nums[s]+",");
        }System.out.print("}");
        
    }

    // 判断一个数字是否已存在于数组中
    private static boolean contains(int[] nums, int num, int length) {
    
    
        for (int i = 0; i < length; i++) {
    
    
            if (nums[i] == num) {
    
    
                return true;
            }
        }
        return false;
    }
}

>运行结果
随机生成的数组为{
    
    9,15,13,17,21,11}

3.4 数组中涉及到的常见算法

1. 数组元素的赋值(杨辉三角、回形数等)
2. 求数值型数组中元素的最大值、最小值、平均数、总和等
3. 数组的复制、反转、查找(线性查找、二分法查找)
4. 数组元素的排序算法

算法介绍
算法的五大特征

特征	含义
输入（Input）	有0个或多个输入数据，这些输入必须有清楚的描述和定义
输出（Output）	至少有1个或多个输出结果，不可以没有输出结果
有穷性（有限性，Finiteness）	算法在有限的步骤之后会自动结束而不会无限循环，并且每一个步骤可以在可接受的时间内完成
确定性（明确性，Definiteness）	算法中的每一步都有确定的含义，不会出现二义性
可行性（有效性，Effectiveness）	算法的每一步都是清楚且可行的，能让用户用纸笔计算而求出答案

练习

/*定义一个int型的一维数组，包含10个元素，分别赋一些随机整数，
 然后求出所有元素的最大值，最小值，和值，平均值，并输出出来。
要求：所有随机数都是两位数。*/

package test1j.ava;

import java.util.Random;

public class suanfa1 {
    
    
	public static void main(String[] args ){
    
    
	int[] arr = new int [10];// 创建一个长度为10的int型数组
	Random rand = new Random(); // 创建一个伪随机数生成器
	// 循环生成一个数字，直到符合要求为止(两位数，>=10&&<=99)
	for(int i = 0;i<10;i++){
    
    
		int num = rand.nextInt(90)+10;
		arr[i] = num;
	}

	// 求出所有元素的最大值，最小值，和值，平均值
	 int max = arr[0], min = arr[0], sum = 0;
     for (int num : arr) {
    
    //遍历数组快捷方式
         if (num > max) {
    
    
             max = num;
         }
         if (num < min) {
    
    
             min = num;
         }
         sum += num;
     }
     double average = (double) sum / arr.length;

     // 输出结果
     System.out.println("数组元素为：");
     for (int num : arr) {
    
    
         System.out.print(num + " ");
     }
     System.out.println();
     System.out.println("最大值为：" + max);
     System.out.println("最小值为：" + min);
     System.out.println("和值为：" + sum);
     System.out.println("平均值为：" + average);
 }
}

>运行结果
数组元素为：
83 26 95 85 49 38 37 94 72 19 
最大值为：95
最小值为：19
和值为：598
平均值为：59.8

①二分查找算法

//二分法查找：要求此数组必须是有序的。

package test1j.ava;

public class erfen {
    
    

	public static void main(String[] args) {
    
    
		// TODO Auto-generated method stub
		int[] arr3 = new int[]{
    
    -99,-54,-2,0,2,33,43,256,999};
		boolean isFlag = true;
		int number = 256;
		//int number = 25;
		int head = 0;//首索引位置
		int end = arr3.length - 1;//尾索引位置
		while(head <= end){
    
    
			int middle = (head + end) / 2;
			if(arr3[middle] == number){
    
    
				System.out.println("找到指定的元素，索引为：" + middle);
				isFlag = false;
				break;
			}else if(arr3[middle] > number){
    
    
				end = middle - 1;
			}else{
    
    //arr3[middle] < number
				head = middle + 1;
			}
		}
		if(isFlag){
    
    
		System.out.println("未找打指定的元素");
		}

	}

}

>运行结果
找到指定的元素，索引为：7

②排序算法
排序：
假设含有n个记录的序列为{R1，R2，…,Rn},其相应的关键字序列为{K1，K2，…,Kn}。将这些记录重新排序为{Ri1,Ri2,…,Rin},使得相应的关键字值满足条Ki1<=Ki2<=…<=Kin,这样的一种操作称为排序。

通常来说，排序的目的是快速查找。

衡量排序算法的优劣：

• 时间复杂度：分析关键字的比较次数和记录的移动次数
• 空间复杂度：分析排序算法中需要多少辅助内存
• 稳定性：若两个记录A和B的关键字值相等，但排序后A、B的先后次序保持不变，则称这种排序算法是稳定的。

排序算法分类：内部排序和外部排序。

• 内部排序：整个排序过程不需要借助于外部存储器（如磁盘等），所有排序操作都在内存中完成。
• 外部排序：参与排序的数据非常多，数据量非常大，计算机无法把整个排序过程放在内存中完成，必须借助于外部存储器（如磁盘）。外部排序最常见的是多路归并排序。可以认为外部排序是由多次内部排序组成。

十大排序算法

• 选择排序
  直接选择排序、堆排序
• 交换排序
  冒泡排序、快速排序
• 插入排序
  直接插入排序、折半插入排序、Shell排序
• 归并排序
• 桶式排序
• 基数排序

③冒泡排序

介绍：
冒泡排序的原理非常简单，它重复地走访过要排序的数列，一次比较两个元素，如果他们的顺序错误就把他们交换过来。

排序思想：

1. 比较相邻的元素。如果第一个比第二个大（升序），就交换他们两个。
2. 对每一对相邻元素作同样的工作，从开始第一对到结尾的最后一对。这步做完后，最后的元素会是最大的数。
3. 针对所有的元素重复以上的步骤，除了最后一个。
4. 持续每次对越来越少的元素重复上面的步骤，直到没有任何一对数字需要比较为止。

④快速排序

介绍：
快速排序通常明显比同为O(nlogn)的其他算法更快，因此常被采用，而且快排采用了分治法的思想，所以在很多笔试面试中能经常看到快排的影子。可见掌握快排的重要性。

快速排序（Quick Sort）由图灵奖获得者Tony Hoare发明，被列为20世纪十大算法之一，是迄今为止所有内排序算法中速度最快的一种。冒泡排序的升级版，交换排序的一种。快速排序的时间复杂度为O(nlog(n))。

排序思想：

1. 从数列中挑出一个元素，称为"基准"（pivot），
2. 重新排序数列，所有元素比基准值小的摆放在基准前面，所有元素比基准值大的摆在基准的后面（相同的数可以到任一边）。在这个分区结束之后，该基准就处于数列的中间位置。这个称为分区（partition）操作。 //大前小后
3. 递归地（recursive）把小于基准值元素的子数列和大于基准值元素的子数列排序。
4. 递归的最底部情形，是数列的大小是零或一，也就是永远都已经被排序好了。虽然一直递归下去，但是这个算法总会结束，因为在每次的迭代（iteration）中，它至少会把一个元素摆到它最后的位置去。

⑤排序算法性能对比

1. 从平均时间而言：快速排序最佳。但在最坏情况下时间性能不如堆排序和归并排序。
2. 从算法简单性看：由于直接选择排序、直接插入排序和冒泡排序的算法比较简单，将其认为是简单算法。对于Shell排序、堆排序、快速排序和归并排序算法，其算法比较复杂，认为是复杂排序。
3. 从稳定性看：直接插入排序、冒泡排序和归并排序时稳定的；而直接选择排序、快速排序、 Shell排序和堆排序是不稳定排序
4. 从待排序的记录数n的大小看：n较小时，宜采用简单排序；而n较大时宜采用改进排序。

排序算法选择

1. 若n较小(如n≤50)，可采用直接插入或直接选择排序。
   当记录规模较小时，直接插入排序较好；否则因为直接选择移动的记录数少于直接插入，应选直接选择排序为宜。
2. 若文件初始状态基本有序(指正序)，则应选用直接插入、冒泡或随机的快速排序为宜；
3. 若n较大，则应采用时间复杂度为O(nlgn)的排序方法：快速排序、堆排序或归并排序

3.5 数组使用中的常见异常

3.6 Arrays工具类的使用

java.util.Arrays类即为操作数组的工具类，包含了用来操作数组（比如排序和搜索）的各种方法。