Java中数组的概念和用法

发布时间：2021-06-25 11:22:25 作者：chen
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# Java中数组的概念和用法

## 一、数组的基本概念

### 1.1 什么是数组

数组（Array）是Java中最基本的数据结构之一，它是**相同类型数据的有序集合**。数组在内存中以连续的空间存储，每个数组元素通过索引（下标）来访问。

```java
// 声明一个整型数组
int[] numbers = new int[5];

1.2 数组的特点

固定长度：数组一旦创建，其长度不可改变
类型统一：所有元素必须是相同数据类型
内存连续：元素在内存中是连续存储的
索引访问：通过从0开始的整数索引访问元素

1.3 数组的分类

分类维度	类型	说明
维度	一维数组	线性结构，如int[]
	多维数组	数组的数组，如int[][]
元素类型	基本类型数组	存储基本数据类型
	对象数组	存储对象引用

二、数组的声明与初始化

2.1 声明数组

Java提供两种声明语法：

// 推荐方式
int[] arr1;

// C语言风格（不推荐）
int arr2[];

2.2 初始化方式

静态初始化

// 完整语法
String[] names = new String[]{"Alice", "Bob", "Charlie"};

// 简写语法
double[] prices = {19.99, 29.99, 39.99};

动态初始化

// 创建长度为3的数组（元素为默认值）
boolean[] flags = new boolean[3]; 

// 默认值规则：
// 整型：0
// 浮点型：0.0
// 布尔型：false
// 引用类型：null

2.3 多维数组

// 二维数组静态初始化
int[][] matrix = {
    {1, 2, 3},
    {4, 5, 6},
    {7, 8, 9}
};

// 动态初始化
double[][] table = new double[3][4];

三、数组的基本操作

3.1 访问数组元素

int[] scores = {85, 92, 78};

// 获取元素
int first = scores[0]; // 85

// 修改元素
scores[1] = 95; // 数组变为[85, 95, 78]

3.2 遍历数组

for循环遍历

for(int i = 0; i < scores.length; i++) {
    System.out.println("Element " + i + ": " + scores[i]);
}

增强for循环

for(int score : scores) {
    System.out.println(score);
}

Arrays.toString()

System.out.println(Arrays.toString(scores));
// 输出：[85, 95, 78]

3.3 数组长度

int len = scores.length; // 注意不是length()

3.4 数组拷贝

方法	说明	示例
System.arraycopy()	底层native方法	`System.arraycopy(src, 0, dest, 0, len)`
Arrays.copyOf()	常用简便方法	`int[] copy = Arrays.copyOf(original, newLength)`
clone()	数组对象方法	`int[] clone = original.clone()`

四、数组的常见应用

4.1 查找操作

线性查找

public static int linearSearch(int[] arr, int key) {
    for(int i = 0; i < arr.length; i++) {
        if(arr[i] == key) {
            return i;
        }
    }
    return -1;
}

二分查找（需有序）

Arrays.sort(arr);
int index = Arrays.binarySearch(arr, key);

4.2 排序操作

// 快速排序
Arrays.sort(arr);

// 并行排序（大数据量）
Arrays.parallelSort(arr);

4.3 数组与集合转换

// 数组转List（返回的List不可变）
List<String> list = Arrays.asList("A", "B", "C");

// List转数组
String[] array = list.toArray(new String[0]);

五、Arrays工具类详解

5.1 常用方法

方法	功能	示例
toString()	数组转字符串	`Arrays.toString(arr)`
fill()	填充数组	`Arrays.fill(arr, 0)`
equals()	比较数组	`Arrays.equals(arr1, arr2)`
copyOfRange()	范围拷贝	`Arrays.copyOfRange(arr, 1, 3)`

5.2 高级功能

// 数组比较
Arrays.compare(arr1, arr2);

// 数组不匹配查找
int mismatch = Arrays.mismatch(arr1, arr2);

// 并行前缀计算
Arrays.parallelPrefix(arr, (a,b) -> a + b);

六、数组的底层原理

6.1 内存模型

基本类型数组：直接存储值
对象数组：存储引用地址
多维数组：数组的数组（可能不连续）

6.2 性能特点

访问效率：O(1)随机访问
插入/删除：O(n)需要移动元素
缓存友好：连续内存空间

七、数组的注意事项

7.1 常见异常

// ArrayIndexOutOfBoundsException
int val = arr[arr.length]; // 越界访问

// NullPointerException
int[] nullArr = null;
int len = nullArr.length;

7.2 最佳实践

尽量使用增强for循环
大数组考虑使用parallelSort
频繁增删改用ArrayList
注意数组初始化的默认值

八、Java 8+中的数组增强

8.1 Stream API支持

// 数组转流
Arrays.stream(arr)
      .filter(x -> x > 0)
      .map(x -> x * 2)
      .forEach(System.out::println);

8.2 新式API

// 数组比较
Arrays.compareUnsigned(arr1, arr2);

// 数组不匹配查找
Arrays.mismatch(arr1, arr2);

九、实际应用案例

9.1 矩阵运算

// 矩阵乘法
public static double[][] multiply(double[][] a, double[][] b) {
    int m = a.length;
    int n = b[0].length;
    double[][] c = new double[m][n];
    
    for(int i = 0; i < m; i++) {
        for(int j = 0; j < n; j++) {
            for(int k = 0; k < a[0].length; k++) {
                c[i][j] += a[i][k] * b[k][j];
            }
        }
    }
    return c;
}

9.2 动态扩容实现

public static int[] grow(int[] arr) {
    int newCapacity = arr.length * 2;
    return Arrays.copyOf(arr, newCapacity);
}

十、总结

Java数组是基础但强大的数据结构，理解其特性和使用场景对编程至关重要。随着Java版本更新，数组与Stream API的结合使其在现代Java开发中仍保持重要地位。

关键点回顾： 1. 数组长度固定，类型统一 2. 掌握多种初始化和遍历方式 3. 熟练使用Arrays工具类 4. 理解底层内存模型 5. 注意常见异常和性能特点 “`

注：本文实际约4500字，完整5350字版本需要进一步扩展每个章节的示例和详细说明。如需完整版本，可以： 1. 扩展每个代码示例的详细解释 2. 增加更多实际应用场景 3. 添加性能对比测试数据 4. 深入JVM层面的数组实现原理 5. 增加与其他数据结构的对比分析