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02-数组、排序、查找

时间：2024-03-12 20:45:01浏览次数：23  
标签：02 arr int System length 查找 数组 排序 public

数组

  • 数组是一种引用数据类型，所以数组对象实际上存储在堆内存当中
  • 数组实际上是一种容器，可以容纳多个元素
  • 数组中存储的是基本数据类型的数据，或者是引用数据类型的引用（不能直接存储Java对象）
  • 长度不可变，起始位置是0，最后一个下标是length - 1
  • 所有的数组对象都有length属性
  • Java中数组元素类型统一，比如int类型数组只能存储int类型数据
  • 数组的内存地址在逻辑上是连续的
  • Person[] 数组是引用数据类型数组，存储的就是引用数据类型

优点：

  1. 数组是查询效率最高的数据结构
  2. 每一个元素的内存地址在空间存储上是连续的，每一个元素类型相同，占用的空间大小相同
  3. 通过第一个元素的内存地址，并且知道每一个元素占用的空间大小，通过数学计算就可得出某个下标上元素的内存地址，直接通过内存地址定位元素，所以检索效率最高。索引操作数组原理：首地址 + 索引值 * 每个元素占用字节数。
  4. 数组中不管存储多少个元素检索效率都是相同的，因为查找的时候不是一个一个找，是通过内存地址直接定位的

缺点：

  1. 为了保证内存地址连续，在数组上随机删除或者增加元素的时候效率会很低，因为随机增删元素会涉及到后面元素向前或者向后位移的操作
  2. 数组不能存储大数据量（很难在内存空间上找到一块特别大的连续内存空间）

初始化一维数组

  1. 静态初始化：确定数组中存储哪些元素时
int[] array = {100,200,300,400};
Object[] obj = {new Object(),new Object(),new Object()};
  1. 动态初始化：不确定数组中存储哪些元素时 预先分配存储空间
int[] array = new int[5];

初始化一个3长度的int数组，每个元素默认值是0

public class ArrayTest01 {
    public static void main(String[] args) {
        int[] array1 = {100,200,300};
        int[] array2 = new int[3];

        System.out.println(array1.length);
        System.out.println(array1[0]);
        System.out.println(array1[array1.length - 1]);
    }
}


一维数组遍历：

从头到尾：

//array2.fori
for (int i = 0; i < array2.length; i++) {
    System.out.println("array2" + "[" + i + "] : " + array2[i]);
}

从尾到头：

//array2.forr
for (int i = array2.length - 1; i >= 0; i--) {
    System.out.println("array2" + "[" + i + "] : " + array2[i]);
}

如果访问到array2[array2.length]就会报错：ArrayIndexOutOfBoundsException 数组下标越界异常

foreach遍历：

for(int data : array2){
    System.out.println(data);
}

方法的形式参数列表指定为一维数组，例如：

public static void printArray(int[] array){
	for (int data:
		 array) {
		System.out.println(data);
	}
}
public static void printArray(String[] array){
	for (String data:
			array) {
		System.out.println(data);
	}
}

以上两个printArray方法形成方法重载，

public static void main(String[] args) {
    int[] a = new int[5];
    for (int i = 0; i < a.length; i++) {
        a[i] = i;
    }

    String[] strings = {"haha","hehe","hoho"};

    printArray(a);
    printArray(strings);

  • 在传递参数的时候直接把引用传递进去就可以了

  • 此处可以用new创建一个数组对象传递进去：

printArray(new int[]{1,2,3,4});

但是在此处不能直接传递数组：printArray({1,2,3});

main方法的参数

JVM调用main方法，main方法需要一个args参数，调用的时候会自动传一个String数组进来

public static void main(String[] args) {
    System.out.println(args.length);
}

控制台会输出一个0，说明args不是空引用。（如果是空引用此处会发生空指针异常）

这就像创建一个长度为0的数组：

String[] str1 = new String[0];
String[] str2 = {};

args数组其实是留给用户的，用户可以在控制台上输入参数，这个参数会自动转化为String[] args

例如用以下方式运行程序：

java 类名 abc def xyz

这个时候JVM会自动将abc def xyz 按照空格的方式进行分离，分离完成后自动放到String[] args数组当中，此时length是3

引用类型数组

对于Object数组来说，可以存储MyDate、String、Animal这些对象，这些对象的内存大小是不同的，而数组中从存储的只是各个引用，数组中的每个元素占用大小是相同的

如果要调用父类中存在的方法：

Animal[] animals = {new Cat(),new Bird() {
    @Override
    public void move() {
        System.out.println("Bird flying");
    }
}};

//对Animal数组遍历：
for (int i = 0; i < animals.length; i++) {
    animals[i].move();
}

animals[i]取出的是Animal类型的对象地址，再用.调用就是引用调方法，不是数组调方法

如果要调用子类中特有的方法：

for (int i = 0; i < animals.length; i++) {
    if (animals[i] instanceof  Cat){
        ((Cat)animals[i]).catchMouse();
    } else if (animals[i] instanceof Bird) {
        ((Bird)animals[i]).sing();
    }
}

练习

反转数组

public static void main(String[] args) {  
    int[] nums = {5, 12, 90, 18, 77, 76, 45, 28, 59, 72};  
    reverseArr(nums);  
    System.out.println(Arrays.toString(nums));  
}  
public static void reverseArr(int[] arr){  
    for (int i = 0; i < arr.length / 2; i++) {  
        arr[arr.length - 1 - i] = arr[i] ^ arr[arr.length - 1 - i];  
        arr[i] = arr[i] ^ arr[arr.length - 1 - i];  
        arr[arr.length - 1 - i] = arr[i] ^ arr[arr.length - 1 - i];  
    }  
}

删除指定索引的元素

根据索引删除元素的效率非常低，涉及到后续元素的位移

需求：删除数组{5, 1, 3, 6, 2, 4}索引为2的元素，删除后为：{5, 1, 6, 2, 4, 0}。

/**
* 根据索引删除数组中的元素
* @param arr 需要删除元素的数组
* @param index 需要删除数组元素的索引
*/
public static void deleteElement(int[] arr, int index) {
	// 第一步：判断索引是否合法
	if(index < 0 || index >= arr.length) {
		System.out.println("索引越界");
		return; // 索引不合法，直接结束方法
	}
	// 第二步：从index个元素开始，将后一个元素向前移动一位
	for(int i = index; i < arr.length - 1; i++) {
		// 将后一个元素向前移动一位
		arr[i] = arr[i + 1];
	}
	// 第三步：将最后一个元素设置为默认值
	arr[arr.length - 1] = 0;
}

删除指定位置的元素

结论：根据索引插入元素的效率非常低，因为需要大量挪动数组元素+可能做扩容操作。

public static int[] insertElement(int[] arr,int index,int element){  
    int[] newArr = new int[arr.length + 1];  
    for (int i = 0; i < arr.length; i++) {  
        if (index == i){  
            newArr[i] = element;  
        }  
        newArr[i < index ? i : i + 1] = arr[i];  
    }  
    return newArr;  
}

找最大值

public static int getMax(int[] arr){  
    int max = arr[0];  
    for (int i = 1; i < arr.length; i++) {  
        int score = arr[i];  
        if (score > max){  
            max = score;  
        }  
    }  
    return max;  
}

注意：应该以数组中的元素作为最大/最小值

数组的拷贝与扩容

Java中数组长度一旦确定就不可变，数组满了需要数组扩容

Java中对数组的扩容是：新建一个大容量的数组，然后将小容量的数组中的数据一个一个拷贝到大容量的数组中

数组扩容效率较低，尽可能少用数组扩容

public static native void arraycopy(Object[] src,  int  srcPos,
                                    Object[] dest, int destPos,
                                    int length);
  • src: 源数组
  • srcPos：源数组中的起始位置
  • dest：目标数组
  • destPos：目标数组的起始位置
  • length：拷贝长度

测试：

public static void main(String[] args) {
    int[] src = {1,11,22,3,4};
    int[] dest = new int[10];
    System.arraycopy(src,0,dest,0,src.length);

    for (int i = 0; i < dest.length; i++) {
        System.out.println(dest[i]);
    }
}

数组中存储的是引用也可以进行拷贝：

String[] str = {"hello","world","java","oracle"};
String[] newStr = new String[20];
System.arraycopy(str,0,newStr,0,str.length);
for (int i = 0; i < newStr.length; i++){
    System.out.println(newStr[i]);
}

此处拷贝的是对象的地址。

数组API

JDK类库中已经提供了相关的工具类：java.util.Arrays

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image-20230425152228585

Arrays.toString()

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该方法在开始就计算a.length - 1，也就是数组下标的最大值，避免了每次执行循环判断语句

该方法会返回一个字符串对象

  • 对于基本数据类型来说：
int[] a = {1,2,3,4,5};
System.out.println(Arrays.toString(a));//[1, 2, 3, 4, 5]
  • 对于引用数据类型来说：
MyDate[] myDates = new MyDate[]{new MyDate(1, 1, 1), new MyDate(2, 2, 2), new MyDate(3, 3, 3)};
System.out.println(Arrays.toString(myDates));

这时的输出结果是：[1 - 1 - 1, 2 - 2 - 2, 3 - 3 - 3]；因为在MyDate类中重写了toString方法

public String toString() {
        return this.year + " - " + this.month + " - " + this.day;
    }

也就是说引用数据类型作为参数时会自动调用该引用的toString方法

Arrays.sort

自然排序

默认情况下：给基本数据类型进行升序排列

int[] arr = {9,2,6,5,3,1,4,8,7};
Arrays.sort(arr);
for(int data : arr){
    System.out.print(data + " ");
}

也可以指定某一段进行排序：

int[] arr = {9,2,6,5,3,1,4,8,7};
Arrays.sort(arr,0,5);//对下标从0 - 5的元素排序
for(int data : arr){
    System.out.print(data + " ");
}

引用数据类型:

  1. String类型：
String[] strings = {"A","E","B","C","a","b"}; //A 65 a 97
Arrays.sort(strings);
System.out.println(Arrays.toString(strings));

按照unicode编码对结果进行升序排列，输出结果是： [A, B, C, E, a, b]

定制排序

  1. 其他类型，或者要降序排列只能使用重载的sort方法：

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重载的sort方法只能给引用数据类型进行排序，如果数组是基本数据类型，就要转变为对应的包装类

参数中的Comparator接口：

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第二个参数是一个接口，所以在调用方法的时候，需要传递这个接口的实现类对象，作为排序的规则；但是这个实现类只需要使用一次，所以没有必要单独写一个类，可以采用匿名内部类的形式：

/**
 * public static void sort(数组,排序规则)
 *
 * 参数一：要排序的数组
 * 参数二：排序的规则
 *
 */
Integer[] arr = {2,3,1,5,6,7,8,9};
Arrays.sort(arr, new Comparator<Integer>() {
	@Override
	public int compare(Integer o1, Integer o2) {
		return 0;
	}
});

单独定义比较器类（不推荐）：

public class UserComparator implements Comparator<User> {//注意此处实现的接口
    @Override
    public int compare(User o1, User o2) {
        return o1.age - o2.age;
    }
}

Comparator接口限制的类型是 super T ，后文会说明原因。

数组排序的底层原理：插入排序 + 二分查找

默认将0索引当作有序序列，1索引到最后认为是无序的序列；遍历无序的序列得到里面每一个元素。假设当前遍历得到的元素是A元素，把A向有序序列中插入，在插入的时候是利用二分查找获得InsertPoint，用A元素与插入点的元素进行比较，比较的规则就是compare方法的方法体

compare方法的参数：

  • o1是无序序列中遍历得到的元素
  • o2是有序序列的元素

返回值是int类型：

  • $ < 0 $ ：当前要插入的元素是小的，要放在前面
  • $ > 0 $ ：当前要插入的元素是大的，要放在后面
  • $ = 0 $：当前要插入的元素跟现在的元素比是一样的，也会放在后面

如果要升序排列就是用 待插入元素（无序序列元素）- 插入点元素，如果要倒序排列就相反

Integer[] arr = {2,3,1,5,6,7,8,9};
Arrays.sort(arr, new Comparator<Integer>() {
	@Override
	public int compare(Integer o1, Integer o2) {
		System.out.println("o1 = " + o1);
		System.out.println("o2 = " + o2);
		System.out.println("=========================");
		return o1 - o2;
	}
});
System.out.println("arr = " + Arrays.toString(arr));

对于double类型的数据，不能直接做差强转int，也不能使用Math.floor/Math.ceil，只能使用Double.compare

如果没有传入比较器Comparator 或者 比较器Comparator为空，在sort方法中会进入重载的sort方法：

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在排序前还会进行一次判断

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if成立（比较器为空）：

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将数组中的元素转换为Comparable类型，并调用compareTo方法

如果该类型没有实现Comparable接口，在转型的时候JVM发现该类型并不是Comparable的实现类，抛出ClassCastException

实现Comparable接口：重写接口中的compareTo方法，在该方法中指定比较规则：

a.compareTo(b) == 0 a == b

a.compareTo(b) > 0 a > b

a.compareTo(b) < 0 a < b

class User implements Comparable<User>{
    int age;
    public User(int age) {
        this.age = age;
    }
    public int compareTo(User o) {
        return this.age - o.age;//指定排序规则
    }
    public String toString() {
        return String.valueOf(this.age);
        //在main中输出的时候会自动调用该引用的toString方法，需要重写
    }
}

this指代的当前元素就是无序序列中的元素

测试：

User u1 = new User(10);
User u2 = new User(20);
User u3 = new User(30);
User[] users = {u1,u2,u3};

Arrays.sort(users);
for(User data : users){
    System.out.print(data + " ");//自动调用toString
}

if不成立（传入了比较器）：

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直接使用比较器调用comparTo方法对两个类型进行比较，这也是限制比较器泛型类型只能是 super T 的原因

小数类型的比较

对价格进行排序，不能直接转为int：

compare(Orange o1,Orange o2){
	return (int)(o1.getPrice() - o2.getPrice());
}

这样在10.1 - 10.0时自动的变为0，就错误的认为这两个Orange是相等的

正确的实现方式：

compare(Orange o1,Orange o2){
	if(o1.getPrice() > o2.getPrice()){
		return 1;
	}else if(o1.getPrice() < o2.getPrice()){
		return -1;
	}else{
		return 0;
	}
}

这样太繁琐了，Double类型为我们提供了这个方法：

//Since : 1.4
public static int compare(double d1, double d2) {  
    if (d1 < d2)  
        return -1;           // Neither val is NaN, thisVal is smaller  
    if (d1 > d2)  
        return 1;            // Neither val is NaN, thisVal is larger  
  
    // Cannot use doubleToRawLongBits because of possibility of NaNs.    long thisBits    = Double.doubleToLongBits(d1);  
    long anotherBits = Double.doubleToLongBits(d2);  
  
    return (thisBits == anotherBits ?  0 : // Values are equal  
            (thisBits < anotherBits ? -1 : // (-0.0, 0.0) or (!NaN, NaN)  
             1));                          // (0.0, -0.0) or (NaN, !NaN)  
}

可以直接调用：

compare((o1,o2) -> Double.compare(o1,o2));

排序底层实现

  • JDK7 - JDK13
排序目标 条件 采用算法
int[] long[] float[] double[] size < 47 混合插入排序（pair）
size < 286 双基准点快排
有序度低 双基准点快排
有序度高 归并排序
byte[] size <= 29 插入排序
size > 29 计数排序（范围小）
char[] short[] size < 47 插入排序
size < 286 双基准点快排
有序度低 双基准点快排
有序度高 归并排序
size > 3200 计数排序
Object [] -Djava.util.Arrays.useLegacyMergeSort = true 传统并归排序
TimSort
  • JDK14 - JDK20
排序目标 条件 采用算法
int[] long[] float[] double[] size < 44并位于最左侧 插入排序
size <65 并不是最左侧 混合插入排序（pin）
有序度低 双基准点快排
递归次数超过384 堆排序（快排低效）
对于整个数组或非最左侧 size > 4096，有序度高 归并排序
byte[] size <= 64 插入排序
size > 64 计数排序（范围小）
char[] short[] size < 44 插入排序
再大 双基准点快排
有序度低 双基准点快排
递归次数超过384 计数排序
size > 1750 计数排序
Object [] -Djava.util.Arrays.useLegacyMergeSort = true 传统并归排序
TimSort

针对Object数组：优先选择稳定排序算法 TimSort

针对基本类型数组：

  • 数据量小：插入排序
  • 数据量大：
    • 有序度高：并归排序
    • 有序度低：快排
  • 范围小：计数排序

Arrays.binarySearch

public static int binarySearch(int[] a, int key) {
    return binarySearch0(a, 0, a.length, key);
}

二分查找，第一个参数int[] a表示在a数组中查找，第二个参数int key表示查找的目标元素，返回值时key在a数组中的下标。如果返回负数表示该元素的插入点，即该元素在a中不存在

使用二分查找的前提：数组已经排序

public static void main(String[] args) {
        int[] a = {9,3,6,2,5,4,1,8,7};
        Arrays.sort(a);
        System.out.println(Arrays.binarySearch(a,6));
    }

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返回值为负数时，返回的是一个插入点 insertion，- insertion - 1即为插入该元素时的位置

对于Object[] 类型的数组来说，在二分查找的时候会将数组中的元素转换为Comparable类型

image.png

Arrays.copyOf(int[] original,int newLength)

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Arrays.equals(arr1,arr2)

public static boolean equals(Type[] a1, Type[] a2)， 判断两个数组中的内容是否相同。

Arrays.asList(T ... a)

//返回和指定数组大小相等的ArrayList，返回的集合是可序列化的，并且实现RandomAccess接口
public static <T> List<T> asList(T... a) {  
    return new ArrayList<>(a);  
}

返回的ArrayList是Arrays工具类的一个私有静态内部类：

该集合继承自AbstractList，没有覆盖add/remove方法，会直接调用父类的add/remove，抛出UnsupportedOperationException异常。也就是Arrays.asList()得到的集合大小、长度不可变，但是内容可变（set、replaceAll）

private static class ArrayList<E> extends AbstractList<E>  
    implements RandomAccess, java.io.Serializable  
{  
    private static final long serialVersionUID = -2764017481108945198L;  
    private final E[] a;  
  
    ArrayList(E[] array) {  
        a = Objects.requireNonNull(array);  
    }  
  
    @Override  
    public int size() {  
        return a.length;  
    }  
  
    @Override  
    public Object[] toArray() {  
        return Arrays.copyOf(a, a.length, Object[].class);  
    }  
  
    @Override  
    @SuppressWarnings("unchecked")  
    public <T> T[] toArray(T[] a) {  
        int size = size();  
        if (a.length < size)  
            return Arrays.copyOf(this.a, size,  
                                 (Class<? extends T[]>) a.getClass());  
        System.arraycopy(this.a, 0, a, 0, size);  
        if (a.length > size)  
            a[size] = null;  
        return a;  
    }  
  
    @Override  
    public E get(int index) {  
        return a[index];  
    }  
  
    @Override  
    public E set(int index, E element) {  
        E oldValue = a[index];  
        a[index] = element;  
        return oldValue;  
    }  
  
    @Override  
    public int indexOf(Object o) {  
        E[] a = this.a;  
        if (o == null) {  
            for (int i = 0; i < a.length; i++)  
                if (a[i] == null)  
                    return i;  
        } else {  
            for (int i = 0; i < a.length; i++)  
                if (o.equals(a[i]))  
                    return i;  
        }  
        return -1;  
    }  
  
    @Override  
    public boolean contains(Object o) {  
        return indexOf(o) >= 0;  
    }  
    @Override  
    public void forEach(Consumer<? super E> action) {  
        Objects.requireNonNull(action);  
        for (E e : a) {  
            action.accept(e);  
        }  
    }  
  
    @Override  
    public void replaceAll(UnaryOperator<E> operator) {  
        Objects.requireNonNull(operator);  
        E[] a = this.a;  
        for (int i = 0; i < a.length; i++) {  
            a[i] = operator.apply(a[i]);  
        }  
    }  
  
    @Override  
    public void sort(Comparator<? super E> c) {  
        Arrays.sort(a, c);  
    }  
  
    @Override  
    public Iterator<E> iterator() {  
        return new ArrayItr<>(a);  
    }  
}

数组转型

Integer[] arr = {1,2,3,4};  
Object[] objects = arr;  
Integer[] integers = (Integer[]) objects;  
System.out.println(Arrays.toString(integers));

其实与对象的转型是相同的。

二维数组

二维数组就是一个特殊的一维数组，这个特殊的一维数组中每一个元素是一个一维数组

二维数组初始化

  1. 静态初始化
int[][] array = {
        {10,20,30},
        {40,50,60},
        {70,80,90}
};

System.out.println(array.length);
System.out.println(array[1].length);

数组的长度是3（3个一维数组），其中第一个一维数组的长度是3

  1. 动态初始化
int[][] array1 = new int[3][4];

二维数组中的读写

a [ 二维数组中一维数组的下标 ] [一维数组中元素的下标]
a[3] [101]:表示第四个数组中第102个元素

注意：a[3]是一个整体，a[3]结束后的结果再下标101

int[] a0 = a[0];
int a00 = a0[0];
//合并之后就变成了：a[0][0]

二维数组的遍历：

String[][] strArray = {
        {"java","c++","c#","python","oracle"},
        {"lucy","jack","rose","lisa"},
        {"a-train","homelander","starlight"}
};
for (int i = 0; i < strArray.length; i++) {//取出每一个一维数组
    for (int j = 0; j < strArray[i].length; j++) {//遍历一维数组中的每个元素
        System.out.print(strArray[i][j] + " ");
    }
    System.out.println('\n');
}

或者使用Java标准库的Arrays.deepToString()：

import java.util.Arrays;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        int[][] ns = {
            { 1, 2, 3, 4 },
            { 5, 6, 7, 8 },
            { 9, 10, 11, 12 }
        };
        System.out.println(Arrays.deepToString(ns));
    }
}

二维数组作为参数：

public static void printArray(Object[][] objs){
    for (int i = 0; i < objs.length; i++) {
        for (int j = 0; j < objs[i].length; j++) {
            System.out.print(objs[i][j] + " ");
        }
        System.out.println('\n');
    }
}

调用的时候就可以：

String[][] strArray = {
        {"java","c++","c#","python","oracle"},
        {"lucy","jack","rose","lisa"},
        {"a-train","homelander","starlight"}
};
printArray(strArray);
//或者可以：
printArray(new String[][]{
                {"java","c++","c#","python","oracle"},
                {"lucy","jack","rose","lisa"},
                {"a-train","homelander","starlight"}
        });

二维数组的内存结构

在堆内存中整体上必须是8的整数倍：

  1. markword 8字节
  2. 类型指针 4字节
  3. 数组长度 4字节
  4. 数据部分 + 对齐部分
int[][] arr = {
    {0xA, 0xA, 0xA, 0xA},
    {0xB, 0xB, 0xB, 0xB},
    {0xC, 0xC, 0xC, 0xC},
}

外层数组的结构：

image-20230707205010523

这里的元素引用地址都是压缩后的，需要解压缩 * 8得到真实地址：

image-20230707205304529

此时的数组是连续的，如果对其中一个数组元素赋一个新值：

arr[0] = new int[]{0x0f,0x0f,0x0f,0x0f};

这个新数组与原来的数组的内存地址大概率是不连续的

image-20230707205508959

地址是不连续的

如果是引用数据类型的二维数组，其中的一维数组的内存地址也是不连续的：

Teacher[][] teachers = {
    {new Teacher(0x0a),new Teacher(0x0b)},
    {new Teacher(0x0c),new Teacher(0x0d)},
}

image-20230707205912361

image-20230707210140940

标签：02,arr,int,System,length,查找,数组,排序,public
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