2.7 数组

 思维导图：

2.7.1 数组的基本要素

### 2.7 数组

数组在编程中是一种重要的数据结构，用于存储一系列的数据。特别是当处理大量相似类型的数据时，数组的效用尤为显著。

#### 2.7.1 数组的基本要素

一个数组主要由以下四个基本元素构成：

1. **数组名称**：用于标识数组的唯一标识。
2. **数组元素**：存储在数组中的数据。
3. **元素索引**：表示数组元素位置的数字。在Java中，索引始于0。
4. **数据类型**：数组中存储的所有元素的数据类型。

在Java中声明一个数组的基本格式如下：

数据类型[]数组名;
数组名 = new 数据类型[长度];

例如，要声明一个可以存储100个整数的数组，可以这样写：

int[] x;
x = new int[100];

这样的声明方式意味着在内存中为`x`分配了100个连续的整数存储空间。默认情况下，这100个整数的初值都是0。

#### 2.7.2 数组在内存中的表示

当声明一个数组变量（例如上面的`x`）时，实际上创建了一个指向数组的引用。这个引用本身也是存储在内存中的。当使用`new`关键字实际创建数组时，会在内存中为该数组分配相应的空间。

考虑上面的例子，首先声明了一个数组引用`x`，它的初始状态如图2-39所示。接着，为它分配100个整数的存储空间。此时，`x`的状态如图2-40所示，它指向这100个整数的首地址。

要访问数组中的元素，可以使用如`x[0]`、`x[1]`...的方式。这里的数字称为数组的索引或下标。重要的是要记住，数组的索引始于0，所以一个长度为100的数组的最后一个元素的索引是99。

为了方便获取数组的长度，Java提供了一个名为`length`的属性。可以通过`数组名.length`的方式来获得。

#### 小结

使用数组可以简化存储和处理大量数据的复杂性。通过上面的知识，我们知道了如何在Java中声明、初始化和访问数组，以及如何获取数组的长度。这为后续的数组操作和处理提供了基础。

 2.7.2 数组的简单使用

### 2.7.2 数组的简单使用

数组在Java中的使用是相当直观和简单的。下面我们通过一个示例来了解如何定义、初始化和访问数组。

#### 示例：Example22.java

public class Example22 {
    public static void main(String[] args) {
        // 声明数组变量
        int[] arr;
        
        // 创建数组对象并分配空间
        arr = new int[3];
        
        // 访问数组中的各个元素
        System.out.println("arr[0] = " + arr[0]);
        System.out.println("arr[1] = " + arr[1]);
        System.out.println("arr[2] = " + arr[2]);
        
        // 打印数组的长度
        System.out.println("数组的长度是：" + arr.length);
    }
}

在上述代码中，`arr`是一个整数类型的数组。它首先被声明，然后创建了一个长度为3的整数数组。随后，程序访问数组的每个元素并打印其值。最后，我们打印了数组的长度。

注意，在这个示例中，我们没有为数组的元素显式地赋值。所以，当我们尝试访问数组中的元素时，它们都显示为默认值0（对于整数数组来说）。

#### 结果

运行这段代码会得到以下的输出：

arr[0] = 0
arr[1] = 0
arr[2] = 0
数组的长度是：3

这里要注意的是，当我们声明并初始化一个新的数组但没有为它的元素分配值时，Java会为数组中的每个元素提供一个默认值。对于基本数据类型，如整数，默认值是0。对于对象，如String，默认值是null。

#### 小结

通过这个简单的例子，我们了解了如何在Java中声明、初始化和访问数组。使用数组，我们可以轻松地存储和操作大量数据，这对于编程中的许多任务来说都是非常有用的。

### 2:7.2 数组的简单使用

**1. 定义数组**

数组是一个容器，可以存储多个相同类型的元素。数组中每个元素都有一个自动编号，也叫做索引或下标，最小索引是0，最大索引是数组长度减1。

- **动态初始化**: 仅定义数组长度，系统会为数组元素自动赋初值。

  int[] arr = new int[3];

- **静态初始化**: 定义数组的时候同时为数组元素赋值。
 

  int[] arr = {1, 2, 3, 4};

或

  int[] arr = new int[]{1, 2, 3, 4};

**注意**: 第二种静态初始化方式更为简洁。

**2. 访问数组元素**

可以通过数组名加索引的方式访问数组元素。

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

**3. 数组的属性**

 System.out.println("数组的长度是：" + arr.length);

**4. 默认初始化值**

不同的数据类型的数组元素，系统赋予的默认值不同：

**5. 赋值**

除了使用默认值外，也可以显式地为数组的每个元素赋值。

arr[0] = 1;
arr[1] = 2;

**6. 注意事项**

- 当访问数组的元素时，索引不能超出0～length-1的范围，否则会出现索引越界的错误。
- 静态初始化时，不能同时指定数组的长度和为数组的元素赋值，如`int[]arr =new int[4]{1,2,3,4}`，这样的写法是错误的。

**示例**: 

文件`Example22.java`展示了如何定义一个整数类型的数组，给数组的元素赋值以及访问数组的元素。
文件`Example24.java`展示了数组的静态初始化方式。
文件`Example25.java`尝试访问一个超出范围的数组索引，会导致运行时异常。

2.7.3 数组的常见操作

### 2.7.3 数组的常见操作

数组在编程中的应用极为广泛。对数组的操作不仅仅局限于声明、初始化和简单的数据访问，还包括更复杂的遍历、搜索、排序和插入等操作。

**1. 数组的遍历**

- 为了访问数组中的每一个元素，我们经常会使用循环结构进行遍历。`for`循环是常用的遍历手段。例如：

int[] arr = {1, 2, 3, 4, 5};
for(int i = 0; i < arr.length; i++){
    System.out.println(arr[i]);
}

**2. 异常操作**

- **数组越界异常**：在尝试访问数组的一个不存在的索引时，会触发`ArrayIndexOutOfBoundsException`。如在长度为4的数组中尝试访问索引4。

- **空指针异常**：当一个数组引用被设置为`null`（意味着它不再引用任何数组对象）后，再试图通过这个引用访问数组的元素，会引发`NullPointerException`。

**示例**:

在文件`Example26.java`中，我们首先创建了一个大小为3的数组，并为其第一个元素赋了值。在访问该数组的元素后，我们将数组的引用置为`null`，然后再次尝试访问数组的元素，结果就是一个`NullPointerException`。

int[] arr = new int[3];   //定义一个长度为3的数组
arr[0] = 5;               //为数组的第一个元素赋值
System.out.println("arr[0]=" + arr[0]);  //访问数组的元素
arr = null;              //将变量arr置为null
System.out.println("arr[0]=" + arr[0]);  //再次访问数组的元素时会引发空指针异常

在处理数组时，为避免此类异常，建议：
1. 时刻检查数组的边界。
2. 在使用数组引用前进行非空检查。

**小结**: 数组是Java中的基础数据结构，熟练掌握其操作和相关注意事项是每个Java程序员的必备技能。

## 2.7.3 数组的常见操作

**简介**：
数组是Java中最基本的数据结构之一，用于存储同一类型的多个元素。以下是对数组进行的一些常见操作。

### 1. 数组的遍历

**定义**：  
遍历是一种基本操作，它允许我们访问数组中的每一个元素。

**示例**：  

public class Example27 {
    public static void main(String[] args) {
        int[] arr = {1, 2, 3, 4, 5};
        for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
            System.out.println(arr[i]);
        }
    }
}

- 注意：数组的索引范围是0到数组长度减1。

### 2. 数组中最值的获取

**定义**：  
这涉及到在数组中查找最大或最小值。

**示例**：  

public class Example28 {
    public static void main(String[] args) {
        int[] arr = {4, 1, 6, 3, 9, 8};
        int max = arr[0];
        for (int i = 1; i < arr.length; i++) {
            if (arr[i] > max) {
                max = arr[i];
            }
        }
        System.out.println("数组arr中的最大值为：" + max);
    }
}

### 3. 在数组的指定位置插入一个数据

**定义**：  
因为数组的大小是固定的，所以在插入新的数据时，我们需要创建一个新的更大的数组，然后将旧数组的数据复制到新数组中。**示例**：  
 

public class Example29 {
    public static void main(String[] args) {
        int[] arr = {10, 11, 13, 14, 15};
        int score = 12;
        int[] arr2 = new int[arr.length + 1];
        
        for (int i = 0; i < 3; i++) {
            arr2[i] = arr[i];
        }
        arr2[2] = score;
        for (int i = 3; i < arr2.length; i++) {
            arr2[i] = arr[i-1];
        }
 
        System.out.print("添加新元素之前的arr数组：");
        for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
            System.out.print(arr[i] + ",");
        }
        System.out.println("");
 
        System.out.print("添加新元素之后的arr2数组：");
        for (int i = 0; i < arr2.length; i++) {
            System.out.print(arr2[i] + ",");
        }
    }
}

这些是对数组进行的几种基本操作，对于复杂的操作和算法，可能需要使用其他数据结构或Java提供的工具类。

**4.数组排序**

**冒泡排序简介**：

在日常编程开发中，排序是数组中最常用的操作。Java提供了多种数组排序算法，其中一种常见的是冒泡排序。

冒泡排序的基本思想是：通过不断地比较相邻元素的大小，使小的数像“气泡”一样“浮”到上面，而大的数则“沉”到下面。这个过程类似于气泡在水中不断上浮的过程。

**冒泡排序步骤分析**：

1. **第一步**：从第一个元素开始，对每对相邻的元素进行比较。如果前一个元素大于后一个元素，则交换它们的位置。完成这一轮后，最大的元素会被放在数组的最后一个位置。

2. **第二步**：忽略最后一个元素，再次对剩下的元素进行两两比较，把第二大的元素放在倒数第二的位置。

3. **第三步**：这样一直继续，直到没有元素需要比较为止。

**Java代码示例**：

文件名：`Example30.java`

public class Example30 {
    public static void main(String[] args) {
        int[] arr = {9, 8, 3, 5, 2};
 
        // 冒泡排序前，打印数组元素
        for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
            System.out.print(arr[i] + " ");
        }
        System.out.println();
 
        // 开始冒泡排序
        for (int i = 1; i < arr.length; i++) {
            for (int j = 0; j < arr.length - i; j++) {
                if (arr[j] > arr[j + 1]) {
                    // 交换两个元素
                    int temp = arr[j];
                    arr[j] = arr[j + 1];
                    arr[j + 1] = temp;
                }
            }
        }
 
        // 冒泡排序后，打印数组元素
        for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
            System.out.print(arr[i] + " ");
        }
    }
}

**两个元素的交换**：数组中两个元素的交换过程在上述代码中的第16至18行。具体步骤如下：

1. 使用临时变量`temp`保存一个元素的值。
2. 将另一个元素的值赋给第一个元素。
3. 最后，将临时变量`temp`的值赋给第二个元素。

这样，两个元素的值就交换了位置。

**总结**：

冒泡排序是排序算法中的基础算法之一，它的原理简单、容易实现，但在大规模数据中的效率不如其他高级排序算法。在学习数据结构和算法时，了解并掌握冒泡排序是非常必要的。

2.7.4 二维数组

# 2.7.4 二维数组

## 介绍

在程序中，仅使用一维数组是远远不够的。例如，统计一个学校各个班级的学生成绩，需要同时标识班级和学生成绩，此时使用一维数组是不足够的。为此，多维数组被引入，它可以简单地理解为数组中的数组。其中，二维数组是最常见的，它具有两个索引，用于表示行和列。

## 定义

二维数组可以用多种方式定义，以下介绍三种常见方法：

1. **固定行和列的二维数组**  
```java
数据类型[][] 数组名 = new 数据类型[行数][列数];
```
例如：
```java
int[][] xx = new int[3][4];
```
这会创建一个3行4列的二维数组。

2. **确定行数，但列数不确定的二维数组**  
```java
数据类型[][] 数组名 = new 数据类型[行数][];
```
例如：
```java
int[][] xx = new int[3][];
```

3. **使用具体的元素值来定义二维数组**  
```java
数据类型[][] 数组名 = {{第0行元素}, {第1行元素}, ..., {第n行元素}};
```
例如：
```java
int[][] xx = {{1, 2}, {3, 4, 5, 6}, {7, 8, 9}};
```

## 访问元素

要访问二维数组中的某个元素，使用以下格式：
```java
数组名[行索引][列索引]
```
例如，访问`xx`数组的第一个元素的第二个值：
```java
xx[0][1];
```

## 示例

以下示例展示了如何使用二维数组统计一个公司3个销售小组的销售额：

public class Example31 {
    public static void main(String[] args) {
        //定义一个长度为3的二维数组
        int[][] arr = new int[3][];
        //为数组的元素赋值
        arr[0] = new int[]{11, 12};
        arr[1] = new int[]{21, 22, 23};
        arr[2] = new int[]{31, 32, 33, 34};
        //定义变量记录公司总销售额
        int sum = 0;
        //遍历数组元素
        for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
            int groupSum = 0;  //小组销售额
            for (int j = 0; j < arr[i].length; j++) {
                groupSum += arr[i][j];
            }
            sum += groupSum; //累加小组销售额到总销售额
            System.out.println("第" + (i + 1) + "小组销售额为：" + groupSum + "万元。");
        }
        System.out.println("总销售额为：" + sum + "万元。");
    }
}

## 总结

二维数组是一个强大的数据结构，它为存储和管理表格形式的数据提供了方便。在Java中，可以使用多种方式来定义和初始化它们，并通过行和列索引来访问其元素。

总结：

以下是关于Java中数组的总结：

### 重点：
1. **数组的定义与初始化**：Java中的数组是一个引用数据类型，可以存储多个同类型的数据。可以通过静态初始化和动态初始化进行定义和赋值。
   
2. **二维数组**：在Java中，可以有多维数组，但最常用的是二维数组。理解它如何工作，特别是如何通过两个索引来访问元素，是至关重要的。
   
3. **数组的属性**：每个数组都有一个属性`length`，代表数组的长度。

### 难点：
1. **多维数组**：理解和操作多维数组可能需要时间。尤其是在内部循环中使用多维数组可能会使一些初学者感到困惑。

2. **数组的内存表示**：理解数组是如何在内存中存储的，以及如何与数组引用和实际的数组对象进行交互，可以帮助更深入地理解Java中的数组。

3. **数组的边界**：在处理数组时，超出其边界是一个常见的错误。

### 易错点：
1. **越界访问**：尝试访问数组的非法索引（通常小于0或大于等于`length`）会导致`ArrayIndexOutOfBoundsException`。

2. **空引用访问**：未初始化的数组引用可能导致`NullPointerException`。

3. **误解数组长度**：常常与新手混淆的是，`array.length`给出的是数组的长度，而不是最后一个元素的索引。

### 使用技巧：
1. **增强型for循环**：使用增强型for循环（也称为“for-each”循环）可以更简洁地遍历数组。

   ```java
   for(int value : array) {
       System.out.println(value);
   }
   ```

2. **工具类**：Java的`Arrays`类提供了许多有用的数组操作方法，如`sort()`, `toString()`, `fill()`, `binarySearch()`等。

3. **数组拷贝**：可以使用`System.arraycopy()`或`Arrays.copyOf()`来复制数组。

4. **变长参数**：当定义方法时，可以使用变长参数来接受任意数量的参数。这实际上是一个数组，可以在方法体内像数组一样使用它。

总之，Java中的数组是一个强大的数据结构，但也需要注意边界和空引用问题。通过理解它们如何在内部工作，以及使用Java提供的工具和技巧，可以更有效地使用数组。