6-数组的定义与使用

【本节目标】

1. 理解数组基本概念

2. 掌握数组的基本用法

3. 数组与方法互操作

4. 熟练掌握数组相关的常见问题和代码

1. 数组的基本概念

1.1 为什么要使用数组

假设现在要存5个学生的考试成绩，并对其进行输出，按照之前掌握的知识点，我么会写出如下代码：

public static void main(String[] args){int score1 = 70;int score2 = 80;int score3 = 85;int score4 = 60;int score5 = 90;System.out.println(score1);System.out.println(score2);System.out.println(score3);System.out.println(score4);System.out.println(score5);
}

上述代码没有任何问题，但不好的是：如果有20名同学成绩呢，需要创建20个变量吗？有100个学生的成绩那不得

要创建100个变量。仔细观察这些学生成绩发现：所有成绩的类型都是相同的，那Java中存在可以存储相同类型多个数据的类型吗？这就是本节要将的数组。

1.2 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。

在java中，包含6个整形类型元素的数组，其中：

1. 数组中存放的元素其类型相同

2. 数组的空间是连续的

3. 每个空间有自己的编号，起始位置的编号为0，即数组的下标。我们通过下标（索引 ）访问数组。

数组的作用：存储一组相同数据类型的数据。

那在程序中如何创建数组呢？

1.3 数组的创建及初始化

1.3.1 数组的创建

定义数组的三种方法

int[] arr1 = {1,2,3,4,5,6};//定义数组的方法1。
//int [] 是数据类型 arr 是数组名
int[6] arr = {1,2,3,4,5,6};//error，不允许定义数组的大小
int[] arr2 = new int[]{1,2,3,4,5,6};//定义数组的方法2。
int[] arr3 = new int[10];//定义数组的方法3。

//方法一同时定义+初始化
//方法二完全等价于方法一，相当于方法一是方法二的简写版本
//new是一个关键字，我们一般通过new关键字实例化对象

专业术语：

实例化对象==新建了一个对象

其实Java当中的数组就是一个对象。

我们可能听过这样一句话：Java当中一切皆对象。

在方法三中：只是定义了数组，并没有初始化，只是分配了内存，在没有初始化的时候，系统默认初始化为0。

并且只有方法三是能够初始化自己的空间。

其他两种方法如果对数组进行指定大小的初始化都会报错。

我们一般使用最多的是方法一。其他两种方法使用较少。

1.3.2 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。

1. 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];

2. 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： 数据类型[] 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", "!!!"};

• 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。

//动态
int[] array1;
array1 = new int[10];
//静态
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};
//只能在一行写完

• 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基类类型，默认值为基类类型对应的默认值，比如：

类型	默认值
byte	0
short	0
int	0
long	0
float	0.0f
double	0.0
char	\\u0000
boolean	false

​ ○如果数组中存储元素类型为引用类型，默认值为null

1.4 数组的使用

1.4.1 数组中元素的访问

**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】

1. 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

2. 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。

public static void main(String[] args) {int[] arr = {1,2,3};System.out.println(arr[3]);
}
//--------------
//编译器运行结果为
//Exception in thread "main" java.lang.ArrayIndexOutOfBoundsException: 3
//	at Test.main(Test.java:14)

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-0l13PT0r-1677938123591)(https://typora-888.oss-cn-hangzhou.aliyuncs.com/20221115110747.png)]

1.4.2 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

方法一

public static void main(String[] args) {int[] array = {1,2,3,4,5,6};for (int i = 0; i < array.length; i++) {System.out.print(array[i] + " ");}
}
//---------------
//编译器运行结果为
//1 2 3 4 5 6 

方法二

也可以使用 for-each 遍历数组

for (int x:array) {System.out.print(x + " ");
}
//-----------
//编译器运行结果为  
//1 2 3 4 5 6 

方法三

在Java当中有一个类Arrays

是用来专门操作数组的。

在Array类当中有一个方法叫做toString

toString的作用：返回指定数组的内容的字符串表示形式。

返回类型为String类型

代码示例

public static void main(String[] args) {int[] arr = {1,2,3,4};String ret = Arrays.toString(arr);System.out.println(ret);
}
//----------
//编译器运行结果为
//[1, 2, 3, 4]

所以在Java当中，如果只是简单的打印数组可以使用toString方法。

在Arrays当中还有很多的方法，我们可以使用例如：Arrays.sort就可以按照一定的顺序对数组进行排序。

代码示例

public static void main(String[] args) {int[] arr = {4,3,2,1};Arrays.sort(arr);String ret = Arrays.toString(arr);System.out.println(ret);
}
//-------------
//编译器运行结果为
//[1, 2, 3, 4]

数组长度的求法

数组名.length就可以求出数组的长度

代码示例

public static void main(String[] args) {int[] arr = {1,2,3};System.out.println(arr.length);
}
//-------------
//编译器运行结果为
//3

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。

我们对JVM虚拟机当中的内存进行了不同的划分。

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。

我们平常说的栈区就是虚拟机栈。

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

我们将数据{1,2,3}存放到堆区，再将数组的地址存放到栈区。所以可以理解为arr当中存放的是数组的地址。

我们把存储地址的变量称为引用变量。

public static void main(String[] args) {int[] arr = {4,3,2,1};System.out.println(arr);
}
//-----------
//编译器运行结果为
//[I@1b6d3586

[I@1b6d3586当中[代表是一个数组，I代表是int类型的数组 @是分隔符 1b6d3586可以暂且看作为数组当中存储的地址。

2.2 基本数据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[] arr = 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func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

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-KhNUz8cE-1677938123592)(https://typora-888.oss-cn-hangzhou.aliyuncs.com/20221115180629.png)]

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。

补充

Java当中的局部变量在使用的时候必须初始化。

所以局部变量必须进行初始化，初始化的方法代码示例

public static void main(String[] args) {int a = 0;System.out.println(a);int[] arr = null;System.out.println(arr);
}
//--------------
//编译器运行结果为
//0
//null

当我们用null赋值给引用类型变量的时候，表示不指向任何对象。

如果再使用空指针赋值后的变量，就会空指针异常。

public static void main(String[] args) {int[] arr = null;System.out.println(arr[0]);
}
//------------
//编译器运行结果为
//Exception in thread "main" java.lang.NullPointerException
//	at Test.main(Test.java:13)

对于空指针进行的任何操作都会报NPE，所以根据问题所在位置，判断为什么会是空指针。

2.3 再谈引用变量

代码一

public static void main(String[] args) {int[] arr1 = {1,2,3,4,5};arr1[0] = 9;int[] arr2 = arr1;arr2[0] = 10;System.out.println(Arrays.toString(arr1));System.out.println(Arrays.toString(arr2));
}
//-----------
//编译器运行结果为
//[10, 2, 3, 4, 5]
//[10, 2, 3, 4, 5]

因为arr1当中存储的是数组{1,2,3,4,5,}的地址,所以int[] arr2 = arr1将数组的地址存储在arr2当中,所以arr1等价于arr2。

代码二

public static void main(String[] args) {int[] arr1 = {1,2,3,4};int[] arr2 = {11,22,33,44};arr1 = arr2;arr1[0] = 55;System.out.println(Arrays.toString(arr1));System.out.println(Arrays.toString(arr2));
}
//------------
//编译器运行结果为
//[55, 22, 33, 44]
//[55, 22, 33, 44]

如果没有人引用a对象，那么a对象就会被系统自动回收。

代码三

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;array1[3] = 400;array2[4] = 500;for (int i = 0; i < array2.length; i++) {System.out.println(array2[i]);}
}
//-------------
//编译器运行结果为
//100
//200
//300
//400
//500

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

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.print(array[i] + " ");}
}
//-----------
//编译器运行结果为
//1 2 3 

3.2 作为函数的参数

3.2.1 实参传递基本数据类型

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.

3.2.2 实参传递数组类型

public static void func2(int[] arr) {arr[0] = 99;
}
public static void main(String[] args) {int[] arr = {1,2,3,4};func2(arr);System.out.println(Arrays.toString(arr));
}
//------------
//编译器运行结果为
//[99, 2, 3, 4]

通过指针进行修改。

**总结：**当数组作为参数进行传递的时候，其实还是按值传递，只不过此时的值是一个地址。

那么会出现两种情况：

1.形参的指向发生修改：
array = new int[10];
2.通过地址进行修改指向对象的值
array[0] = 9;

3.3 作为函数的返回值

代码一

public static int[] func10() {int[] tmpArr = {10,11,12};return tmpArr;
}
public static void main(String[] args) {int[] array = func10();System.out.println(Arrays.toString(array));
}
//-----------
//编译器运行结果为
//[10, 11, 12]

当把数组的地址返回之后，tmpArr变量进行销毁，但是地址存储到了array当中。

代码二

获取斐波那契数列的前N项

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]);}
}