第二十七章 数组

1 简介

数组是一种基本的数据结构。它利用了一片连续的内存，存放多个类型相同的数据或者对象。在Java语言中，数组类型是一种内置的类类型。所以，每个数组都是一个对象，由Java语言动态创建。包含在数组中的数据被称为数组元素。我们可以使用它们在数组中的序号访问这些元素。

当一个数组包含0个元素时，我们称之为空数组。当数组包含n个元素时，该数组的长度为n。数组元素在数组中的位置序号从0开始计算。如果一个数组包含n个元素的话，第一个元素的序号为0，最后一个元素的序号为n-1，以此类推。

数组中的元素类型必须相同，即一个数组可以包含多个int类型的数据，或者包含多个float类型的数据。但是，一个数组不能同时包含int类型数据和float类型的数据，因为一个数组内的元素类型必须相同。数组中元素类型被称为数组的Component Type。

一个数组可以包含多个类型相同的基本数组类型的数据，也可以包含多个类型相同的对象。既然数组是一种类类型，那么，一个数组也可以包含在另一个数组中。我们称这种数组为多维数组。

2 基本使用方法

以下是一些数组变量声明的例子。元素类型是int的数组类型使用int[]表示，即在元素类型之后加上一对方括号。这种方法同样适用于元素是对象的数组声明。

int[] arrayOfInt;       // 元素类型为int的数组
float[] arrayOfFloat;   // 元素类型为float的数组
String[] arrayOfString; // 元素类型为String的数组
Object[] arrayOfObject; // 元素类型为Object的数组

上述的数组对象声明仅声明了数组变量，并没有创建任何数组对象。所以，这些数组变量需要初始化之后才能使用。

原始数据类型的数组和字符串数组可以使用下面的字面常量初始化。在等号右边的表达式被称为Array Initializer。

int[] arrayOfInt = {1, 2, 3};
float[] arrayOfFloat = {1.0f, 2.0f, 3.0f};
String[] arrayOfString = {"the first element", "the second element"};  // 字符串数组
int[][] = { {1, 2}, {3, 4}};  // 这是一个二维数组

类似的，我们还可以动态的创建数组对象，并将其初始化给一个数组变量。数组对象是由new操作符创建出来的。使用这种方法时，开发人员必须明确指出数组元素的类型，数组的维度和数组长度。例如，在下面的程序中，new int[3]表达式创建出了一个长度为3的一维int类型数组。在数组对象被创建之后，我们通过一个for循环，为其中每一个元素设置初始值。在这个过程中，我们使用了两个数组特性。每一个数组对象都有一个公开的(public)、不变的(final)成员变量length。所以，arrayOfInt.length表示的是数组arrayOfInt的长度，即元素个数。另外，我们还使用了arrayOfInt[i]访问数组arrayOfInt的元素。参数i是元素在数组中的位置。

arrayOfInt[i]被称为数组访问表达式(Array Access Expression)。在一对方括号中，我们可以使用int类型的变量来表示被访问元素在数组中的序号。当然，在程序中，我们也可以使用short、byte或者char类型的变量来表示元素的序号。但是，因为数组访问表达式只接收int类型的数据，所以，此时Java语言会做类型提升(Type Promotion)，将short、byte或者char类型的变量提升为int类型。但是，如果我们使用long类型的变量的话，编译器会报告错误。

Java程序会在运行时校验元素的序号。如果该序号为负数或者超出了数组的长度，那么程序会抛出ArrayIndexOutOfBoundsException异常。

int[] arrayOfInt = new int[3];
for (int i = 0; i < arrayOfInt.length; i++) {
    arrayOfInt[i] = i;
}

如果觉得上述的程序比较冗长，希望在一行中完成数组对象初始化的话，我们可以使用匿名数组对象。在创建数组对象的同时完成初始化。在下面的程序中，等号右侧实际上创建出了一个匿名的数组对象。它的初始值为{0, 1, 2}，并且将其初始化给变量arrayOfInt。

int[] arrayOfInt = new int[] {0, 1, 2};

因为数组对象是一个对象，所以，数组类型也是继承自Object类的。我们可以在数组对象上使用Object类定义的方法。注意，对于多维数组，clone()使用的是浅复制(Shallow Copying)。类似的，我们也可以获得数组类型对象。每一个数组都自动实现了java.lang.Cloneable和java.io.Serializable接口。

int[] arrayOfInt = {1, 2, 3};
System.out.println(arrayOfInt.getClass().getName());
System.out.println(arrayOfInt.toString());

上述程序的输出结果如下。第一行是arrayOfInt的类名，这是由Java编译器自动生成的。第二行是arrayOfInt对象的惟一标识字符串。前半部分是对象的类型名称，后半部分是对象的唯一标识符(唯一id)。每次运行得到的结果可能会稍有不同。

[I
[I@277050dc

3 数组示例

3.1 数组遍历

Java语言提供了方便的方法遍历一个数组对象。首先，我们可以使用元素的序号来遍历数组中的元素。例如，在下面的程序中，我们通过for循环，将变量i从0増长到2，然后在使用i的值来获取数组中每一个元素，并将其值累加计入变量sum中。

int[] arrayOfInt = {1, 2, 3};
int sum = 0;
for (int i = 0; i < arrayOfInt.length; i++) {
    sum += arrayOfInt[i];
}
System.out.println("The sum of the elements in arrayOfInt is " + sum);

for循环语句还提供了for-each结构，更方便的访问数组中的每一个元素。for-each会按照数组元素的顺序从头到尾的访问每一个元素。在下面的程序中，在每一次循环时，变量val表示的是数组中当前访问的元素。

int[] arrayOfInt = {1, 2, 3};
int sum = 0;
for (int val: arrayOfInt) {
    sum += val;
}
System.out.println("The sum of the elements in arrayOfInt is " + sum);

3.2 java.util.Arrays包

java.util.Arrays包提供了许多方便的接口。我们在本小节介绍和列举一些方法，更多的请查看java.util.Arrays的接口文档。

3.2.1 排序

Arrays类提供了两种数组排序的方法。sort()方法采用了一种快速排序算法，而parallelSort()使用的是一种并行的归并排序算法。sort()和parallelSort()都支持对各种基本数据类型和对象类型的排序，将元素按照升序排列。

int[] arrayOfInt = {1, 2, 3};
Arrays.sort(arrayOfInt);

float[] arrayOfFloat = {1.0f, 2.0f, 3.0f};
Arrays.sort(arrayOfFloat);

3.2.2 二分查找

当需要在数组中查找某一个元素是否存在时，可使用二分查找算法(Binary Search Algorithm)。在使用二分查找算法之前，需要先对该数组进行排序。这也是二分查找算法运行的基本原理和前提。

int[] arrayOfInt = {1, 2, 3};
Arrays.sort(arrayOfInt);
int target = Arrays.binarySearch(arrayOfInt, 2);
System.out.println("The integer 2 is found at index " + target); 

3.2.3 数组复制

Arrays类提供了两种数组复制的方法。copyOf()方法从头开始复制；而copyOfRange()方法则可以指定复制的起始点和终止点。当指定的拷贝范围超出源数组时，拷贝的数据会被截断(truncated)或者使用默认值补充(padded with default values)。

int[] arrayOfInt = {1, 2, 3};
int[] aNewArray = Arrays.copyOf(arrayOfInt, arrayOfInt.length);

3.2.4 数组比较

Arrays.equals()方法逐个比较两个数组中的元素。只有当两个数组中元素个数相同，且每个位置上的元素的值相同时(如果元素类型是基本数据类型，则比较元素的值；如果元素是对象类型，则使用equals()方法进行比较)，Arrays.equals()方法才会认为两个数组相同。

int[] arrayOfInt1 = {1, 2, 3};
int[] arrayOfInt2 = {1, 2, 3};
boolean isEqual = Arrays.equals(arrayOfInt1, arrayOfInt2);

3.2.5 转换为流对象

流对象(java.util.stream.Stream)是Java语言函数式编程特性中的一个重要的类。Arrays.stream()可以将数组类型转换成一个Stream对象，以便于后续的处理。

int[] arrayOfInt = {1, 2, 3};
IntStream steamOfInt = Arrays.stream(arrayOfInt);

String[] arrayOfString = {"the first element", "the second element"};
Stream<String> streamOfString = Arrays.stream(arrayOfString);

3.2.4 转换为字符串

将数组对象转换成一个可读的字符串对象是一个方便的功能，常常用于日志记录和调试功能。

int[] arrayOfInt = {1, 2, 3};
System.out.println("We would like to log an important array: " + Arrays.toString(arrayOfInt));

3.3 命令行参数

Java程序使用字符串数组来接收命令行参数(Command-Line Arguments)。每一个Java应用程序都是从main()函数开始运行的。main()函数有一个固定的输入参数args。这个参数是一个字符串数组类型，用于表示运行Java程序时的命令行参数。

public class Example {
    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i <args.length; i++) {
            System.out.println(String.format("args[%d]: %s", i, args[i]));
        }
    }
}

如果我们使用如下命令运行上面的程序，

> java Example hello world

那么，我们会得到如下的打印输出。

args[0]: hello
args[1]: world

3.4 二维数组

二维数组也是一种常用的数据结构。当我们需要保存或者表达一个矩阵或者表格时，二维数组是一个比较合适的选择。与一维数组相比，二维数组的类型使用了两对方括号。在下面的代码示例中，我们定义了一个2x2的二维数组，用于表示一个2x2的矩阵。矩阵的第一行为{1, 2}，第二行为{3, 4}。

有了一个二维数组变量之后，我们可以通过行和列来访问二维数组中的元素。例如，twoDimentionArray[0][0]表示的是第1行第1列的元素。

int[][] twoDimentionArray = {{1, 2}, {3, 4}};
System.out.println("The element at (0, 0) is " + twoDimentionArray[0][0]);

我们可以通过使用一个双重循环来遍历二维数组中的每一个元素。

int[][] twoDimentionArray = {{1, 2}, {3, 4}};
int sum = 0;
for (int[] array: twoDimentionArray) {
    for (int val: array) {
        sum += val;
    }
}
System.out.println("The sum of the elements in twoDimentionArray is " + sum);

4 小结

数组是Java语言内置支持的一种数据结构。一个数组中的数据存放在一片连续的存储空间中。所以，当我们按照元素的序号访问数组元素时，数组能够提供较好的存取性能。与此同时，因为数组的结构非常简单，在数组上实现查找和排序算法也是非常方便和高效的。