深入理解 Java 数组
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2021-02-28 19:10
虽然在平常开发中，使用集合（容器）的频率比数组高得多，不过集合的底层也是通过数组来实现的。而且，尽管集合相比数组来说强大得多，但是其执行效率远不及数组。所以在讲集合之前，非常有必要深入了解一下数组。全文脉络思维导图如下：
1. 一维数组详解
所谓数组，就是「相同数据类型的元素按一定顺序排列而成的集合」。先来看看一维数组的三种声明和赋值方式：
第一种：
int[] a = {1, 2, 3};
第二种：
int[] b = new int[] {1, 2, 3};
第三种：
int[] c = new int[3];
c[0] = 1;
c[1] = 2;
c[2] = 3;
以上这三种方式的效果都是一样的，创建了一个存储 1、2、3 这三个整数的数组。
❝可以使用下面两种形式声明数组 ：
int[] a;或int a[];通常都会使用第一种风格， 因为它将类型
❞int[]( 整型数组）与变量名分开了。
我们来反编译一下这三段代码的 .class 文件，你就会发现其实「在底层它们的创建方式都是一样的」，编译器自动的给我们加上了 new 关键字，甚至还把 c 的声明和赋值一体化了。
另外，需要注意的是：new int[3]; 这条语句会创建一个能够存储 3 个元素的数组，不过该数组的最后一个元素的下标是 2（因为下标从 0 开始计数，相信我，刷算法题的时候，这个鬼东西经常会让你脑子短路）。并且这条语句会自动的初始化所有元素，比如对于 int 数组来说就是全部初始化为 0，对于 boolean 数组来说就会全部初始化为 false， 对象数组就会初始化为 null 等。
从上面这些代码和分析中，我们也不难看出，「数组创建之后是无法改变其存储空间大小的」（存储能力），尽管它可以改变每一个数组元素。
我们通过 IDEA 的联想功能来看看数组能够调用什么东西：
可以发现，数组拥有 Object 类的所有方法，并且还会新增一个属性 length（注意是属性，而不是方法），用来表示这个数组的长度，我们可以这样调用：a.length。
❝注意区别于
❞String类的length()「方法」，数组拥有的是length「属性」，而非方法。
综上，数组不仅能够封装数据，还能调用属性和方法，那这和对象有啥区别？没错，这也就是为什么说「数组的本质是对象」了。回顾一下我们之前总结的 Java 中方法参数的使用情况（按值调用）：
一个方法不能修改一个基本数据类型的参数（即数值型或布尔型）。 一个方法可以改变一个对象参数的状态。 一个方法不能让对象参数引用一个新的对象。
而因为数组的本质是对象，因此，将数组作为参数传递给方法，这个数组是可以被改变的。
OK，接下来，以下面这段代码为例，我们来看看一维数组在内存中的存储方式：
int[] b = new int[] {1, 2, 3};
int 数组对象 b 存储在 栈中，而数组元素既然是 new 出来的，那当然是存储在堆中。只有当 JVM 执行 new int[] 时，才会在堆中开辟相应的内存区域。
2. 多维数组详解
我们再来看看多维数组，就以二维数组为例，同样的三种声明与赋值方式：
第一种：
double[][] a = {
{16, 3, 2, 13}，
{5, 10, 11, 8},
{9, 6, 7, 12},
{4, 15, 14, 1}
};
第二种：
// 构造一个 4 行 4 列的二维数组
double[][] b = new double[4][4] {
{16, 3, 2, 13}，
{5, 10, 11, 8},
{9, 6, 7, 12},
{4, 15, 14, 1}
};
第三种：
double[][] c = new double[4][4];
c[0][0] = 16; // 第一行第一列值为 16
c[0][1] = 3; // 第一行第二列值为 3
c[0][2] = 2;
c[0][3] = 13;
c[1][0] = 5; // 第二行第一列值为 5
c[1][1] = 10;
c[1][2] = 1;
c[1][3] = 8;
......
同样的，我们来反编译一下这三段代码的 .class 文件，底层它们的创建方式基本也都是一样的，不过有些细微的差别。编译器还是自动的给我们加上了 new 关键字，不过没有像一维数组那样把 c 的声明和赋值一体化了。
到目前为止，我们所看到的数组与其他程序设计语言中提供的数组没有多大区别。但实际存在着一些细微的差异， 而这正是 Java 的优势所在：「Java 实际上没有多维数组，只有一维数组」。多维数组被解释为「数组的数组」。请看下图：
由于可以单独地存取数组的某一行， 所以可以让两行交换。
int[] temp = b[1];
b[1] = b[2];
b[2] = temp;
3. for each 循环
Java 有一种功能很强的循环结构， 可以用来依次处理数组中的每个元素而不必为指定下标值而分心。这种增强的 for 循环的语句格式为：
for(variable : collection){
// todo
}
「collection这一集合表达式必须是一个数组或者是一个实现了 Iterable 接口的类对象」，例如 ArrayList。
下面我们来对比一下使用下标遍历数组和使用 for each 循环遍历数组这两种方式：
// 使用下标遍历数组
int[] a = new int[100];
for(int i = 0; i < 100; i++) {
a[i] = i;
}
// 使用 for each 循环遍历数组
for(int element: a){
System.out.println(element);
}
for each 循环语句的循环变量将会遍历数组中的每个元素， 而不需要使用下标值。
不过，需要注意的是，「for each 循环语句不能自动处理多维数组的每一个元素，它是按照行， 也就是一维数组处理的」。以二维数组为例，要想访问二维数组的所有元素， 需要使用两个嵌套的循环， 如下所示：
int[][] a = {
{16, 3, 2, 13},
{5, 10, 11, 8},
{9, 6, 7, 12},
{4, 15, 14, 1}
};
for(int[] row : a) { // 遍历每一行
for(int value : row) { // 遍历每一列
System.out.println(value);
}
}
4. 可变参数
在 「JDK 1.5」 之后，如果我们定义一个方法需要接受多个参数，并且「多个参数类型一致」，我们可以对其简化成如下格式：
修饰符 返回值类型 方法名 (参数类型... 形参名){ }
... 用在参数上，称之为「可变参数」，它「表明这个方法可以接收任意数量的参数」。其实这个写法完全等价与
修饰符 返回值类型 方法名 (参数类型[] 形参名){ }
虽然同样是代表数组，但是在调用这个带有可变参数的方法时，不用创建数组，直接将数组中的元素作为实际参数进行传递，这就是简单之处。当然，其实这种方式的底层实现也是将这些元素先封装到一个数组中，在进行传递，不过这些动作都在编译 .class 文件时就自动完成了。
代码演示：
public class ChangeArgs {
//可变参数写法
public static int getSum(int... arr) {
int sum = 0;
for (int a : arr) {
sum += a;
}
return sum;
}
public static void main(String[] args) {
int[] arr = { 1, 4, 62, 431, 2 };
int sum = getSum(arr);
System.out.println(sum);
int sum2 = getSum(6, 7, 2, 12, 2121);
System.out.println(sum2);
}
}
❝需要注意的是：如果在方法书写时，这个方法拥有多个参数，并且参数中包含可变参数，「可变参数一定要写在参数列表的末尾」。
❞
5. Arrays 类
Java 中，提供了一个很有用的数组工具类：java.util.Arrays。它提供的主要操作有：
1）Arrays.toString - 将一维数组转成字符串类型（打印一维数组的所有元素）
2）Arrays.deepToString - 将二维数组转成字符串类型（打印二维数组的所有元素）
3）Arrays.copyOf - 数组拷贝。举个例子，将 a 数组中的元素全部拷贝给 c 数组：
int[] c = Arrays.copyOf(a, 2 * a.length());
第 2 个参数是新数组的长度。这个方法通常用来增加新数组的大小：如果数组元素是数值型，那么多余的元素将被赋值为 0 ; 如果数组元素是布尔型，则将赋值为 false 等。相反，如果长度小于原始数组的长度，则只拷贝最前面的数据元素。
4）Arrays.sort - 对数组中的元素进行排序
5）Arrays.equals - Arrays 类提供了重载后的 equals 方法，用来基于内容比较数组，数组相等的条件是元素个数和对应位置的元素都相等。
6. 总结
不可否认，在 Java 中，数组是一种效率最高的存储和随机访问对象引用序列的方式。数组就是一个简单的线性序列，在内存中采用「连续空间分配」的存储方式，这使得通过下标访问元素非常快速。但是代价就是「一旦创建了数组， 就不能再改变它的大小」（尽管可以改变每一个数组元素）。
如果「经常需要在运行过程中扩展数组的大小， 可以使用集合 ArrayList」 。它可以通过创建一个新实例，然后把旧实例中所有的引用移到新实例中，从而实现更多空间的自动分配。但是这种弹性需要开销，因此，ArrayList 的效率比数组低很多。当然，无论数组还是集合，如果越界，都会得到一个 RuntimeException异常。
关于集合会写成一个系列，下篇文章就会陆续开更，内容没啥难度，不过要记的东西非常多，啃完集合后面还有个硬骨头多线程，这俩学完 Java 基础部分基本就没啥了。
参考资料
《Java 核心技术 - 卷 1 基础知识 - 第 10 版》 《Thinking In Java（Java 编程思想）- 第 4 版》 《On Java 8》中文版（《Java 编程思想》- 第 5 版） 清浅池塘 - Java 中的数组-Java那些事儿：https://juejin.cn/post/6844903498207756295
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