Java中数组参考指南

1. 介绍

本文，我们深入探讨Java中一核心概念 - 数组。首先了解什么是数组，然后了解如何使用它们。总的来说，我们将介绍如何：

• 数组入门
• 读写数组元素
• 遍历数组
• 将数组转化为其对象，如List或Streams

• 数组的排序、搜索和合并

  2. 什么是数组

  首先，我们需要定义什么是数组？根据Java文档，数组是包含固定数量相同类型的对象。数组中的每个元素都是有序号的，这意味着我们可以使用索引来访问它们。
  我们可以将数组看作是编号的单元格，每个单元格可以看作是保存一个值的亦是。在Java中，编号是从0开始的。
  变量的类型可以是基础类型数组和对象类型数组。这意味着我们可以使用int, float, boolean, ......同样也可以使用String, Object和自定义类型来定义数组。

  3. 设置数组

  现在我们已经知道数组的定义了，我们深入了解它们的用法。
  我们将涵盖很多关于如何使用数组的主题。我们将学习一些基础知识，如如何声明和初始化数组，还有更高级的主题如排序和搜索数组。
  先让我们学习声明和初始化数组。

  3.1. 声明

  我们从声明开始，在Java中有两种声明数组的方法

  // 方法一：
  int[] anArray;
  
  // 方法二：
  int anOtherArray[];
  

  前者比后者应用更广泛。

  3.2. 初始化

  现在让我们看一下如何初始化数组。同样有多种方法可以初始化一个数组。
  让我们从一个简单的方法开始：

  int[] anArray = new int[10];

  通过上面的语句，我们初始化了一个包含10个int元素的数组。注意我们必须指定数组的大小。
  使用此方法时，我们将每个元素的初始化的默认值为0，如果元素为Object，则默认值为null。
  另一种方法，我们可以在创建数组时直接为数组设置值：

  int[] anArray = new int[]{1, 2, 3, 4, 5};

  在这里我们初始化了一个包含数字1到5的五元素数组。使用此方法时，我们不需要指定数组的长度，需要在大括号之间指定数组元素。

  4. 访问数组

  如何访问数组元素呢？我们可以通过元素的位置来实现。
  如下面这段代码将在控制台上打印数字10

  anArray[0] = 10;
  System.out.println(anArray[0]);

  注意我们是用索引来访问数组元素的，括号内的数字是我们要访问的数组的具体位置。
  访问单元格时，如果索引为负数或超出最后一个单元格Java将抛出ArrayIndexOutOfBoundException。
  我们应该注意不要使用负数为索引，或大于或小于数组长度的值为索引。

  5. 遍历数组

  虽然逐个访问数组很有用，我们也需要经常遍历数组。
  第一种方法是使用for循环：

  int[] anArray = new int[]{1, 2, 3, 4, 5};
  for (int i = 0; i < anArray.length; i++) {
    System.out.println(anArray[i]);
  }

  上面这段代码将数字1-5打印到控制台上，我们利用了数组长度这一属性。我们还可以使用while 和 do while，以及for each来遍历数组。下面使用foreach循环：

  int[] anArray = new int[]{1, 2, 3, 4, 5};
  for (int element : anArray) {
    System.out.println(element);
  }

  这个例子和上一个例子是等价的，但是没有用到索引。在以下情况可以使用foreach循环：

• 不需要修改数组

• 不需要索引来做其他事情

  6. 可变参数

  我们已经介绍了创建和操作数组的的基础知识。现在我们将探讨更高级的主题，先从可变参数开始。可变参数用于将任意数量的参数传递给方法：

  void varargsMethod(String... varargs) {}

  这个方法可以传入0到任意数量的String参数。
  我们知道在方法内部，会将可变参数转化为一个数组。同样我们也可以将一个数组直接作为可变参数：

  String[] anArray = new String[]{"Milk", "Tomato", "Chips"};
  varargsMethod(anArray);
  
  // 和下面调用方法等效
  varargsMethod("Milk", "Tomato", "Chips");

  7. 将数组转化成List

  有时处理List会更方便，这里介绍如何将数组转换为列表。
  一个简单的笨方法来实现：

  List aList = new ArrayList<>();
  for (int element : anArray) {
    aList.add(element);
  }

  另外一种更简洁的方式：

  Integer[] anArray = new Integer[]{1, 2, 3, 4, 5};
  List aList = Arrays.asList(anArray);

  静态方法Arrays.asList接受一个可变参数并使用值传递方式创建一个列表，这个方法有一些缺点：

• 不能使用基础类型数组
• 我们不能从创建的列表中添加或删除元素，因为它会抛出UnsupportedOperationException

8. 将数组转化成Stream

我们现在可以将数组转换为列表，从Java8开始提供了Stream API，我们也有可能需要将数组转换为Stream。Java为我们提供了Arrays.stream方法：

String[] anArray = new String[]{"Milk", "Tomato", "Chips"};
Stream aStream = Arrays.stream(anArray);

将一个Object数组作为参数传递给该方法，它返回匹配类型的Stream。当传递一个基础类型数组时它将返回基础数据流。也可以在数组的子集上创建流：

Stream anotherStream = Arrays.stream(anArray, 1, 3);

这将创建一个只有"Tomato"和"Chips"字符吕的Stream。

9. 数组排序

现在我们来对数组进行排序，即按特定顺序重新排列其元素。Arrays类为我们提供了sort方法。有点像流的方法，该方法有很多重载。
方法说明：

• 基础类型数组：按升序排列
• 对象数组（对象必须实现Comparable接口）：按照自然顺序排序（依赖于Comparable的compareTo方法）
• 泛型数组：根据给定的比较器排序，可以对数组的特定部分进行排序（需要将开始和结束索引传递给方法）

sort方法背后的算法分别是原始数组和其他数组的快速排序和合并排序。
让我们通过一些例子来看看sort是如何使用的：

int[] anArray = new int[]{5, 2, 1, 4, 8};
Arrays.sort(anArray);
// anArray is now {1, 2, 4, 5, 8}

Integer[] anotherArray = new Integer[]{5, 2, 1 4, 8};
Arrays.sort(anotherArray);
// anotherArray is now {1, 2, 4, 5, 8}

String[] yetAnotherArray = new String[]{"A", "E", "Z", "B", "C"};
Arrays.sort(yetAnotherArray, 1, 3, 
           Comparator.comparing(String::toString).reversed());
// yetAnotherArray is now {"A", "Z", "E", "B", "C"}

10. 搜索数组

搜索数组很简单，可以遍历数组并在数组元素中搜索我们的元素：

int[] anArray = new int[]{5, 2, 1, 4, 8};
for (int i = 0; i < anArray.length; i++) {
    if (anArray[i] == 4) {
        System.out.println("Found at index " + i);
        break;
    }
}

上面的代码，我们搜索了数字4，并在索引3处找到了它。
如果我们有一个排序数组，我们可以使用另一种解决这群：二分查找。
Java为我们提供了Arrays.binarySearch方法。我们必须给它一个数组和一个要搜索的元素。
在泛型数组的情况下，我们还必须首先为其提供用于对数组进行排序的比较器， 我们也可以在数组的子集上调用该方法。下面是用二分搜索方法的一个例子：

int[] anArray = new int[]{1, 2, 3, 4, 5};
int index = Arrays.binarySearch(anArray, 4);
System.out.println("Found at index " + index);

注意：前提是一个已经排序的数组。

11. 合并数组

最后让我们看一下如何连接两个数组。一个思路就是创建一个数组，长度为两个数组的和。之后我们再分别添加两个数组的元素。

int[] anArray = new int[]{5, 2, 1, 4, 8};
int[] anotherArray = new int[]{10, 4, 9, 11, 2};

int[] resultArray = new int[anArray.length + anotherArray.length];
for (int i = 0; i < resultArray.length; i++) {
    resultArray[i] 
        = (i < anArray.length ? anArray[i] : anOtherArray[i - anArray.length]);
}

上面的代码，当索引小于第一个数组长度时添加第一个数组元素添加，然后中再添加第二个数组元素。我们也可以使用Arrays.setAll方法来避免写循环：

int[] anArray = new int[]{5, 2, 1, 4, 8};
int[] anotherArray = new int[]{10, 4, 9, 11, 2};

int[] resultArray = new int[anArray.length + anotherArray.length];
Arrays.setAll(resultArray, i 
    -> (i < anArray.length ? anArray[i] : anOtherArray[i - anArray.length]))

此方法将根据给定函数设置所有数组元素。此函数将索引与结果相关联。
合并数组的第三个方法，System.arraycopy。

System.arraycopy(anArray, 0, resultArray, 0, anArray.length);
System.arraycopy(anotherArray, 0, resultArray, anArray.length
    , anotherArray.length);

调用两次方法，分别将两个数组元素值copy到结果数组中。

12. 总结

本文中，我们介绍了Java中数组的基本和一些高级用法。
我们看到Java提供了很多通过Arrays来处理数组的方法。Apache Commons和Guava库还有一些实用的方法可以操作数组。