javaSE基础学习day06

数组

数组(Array)，是多个相同类型数据按一定顺序排列的集合，并使用一个名字命名，并通过编号的方式对这些数据进行统一管理。

数组本身是引用数据类型，数组元素可以是任何数据类型，包括基本数据类型和引用数据类型
创建数组对象会在内存中开辟一整块连续的空间，而数组名中引用的是这块连续空间的首地址
数组的长度一旦确定，就不能修改
我们可以直接通过下标(或索引)的方式调用指定位置的元素，速度很快

一维数组

声明方式

type var[] 或type[] var
int a[];
int[] a1;
double b[];
String[] c; //引用类型变量数组

初始化方式

动态初始化：数组声明且为数组元素分配空间与赋值的操作分开进行

int[] arr = new int[3]; //int[] arr;arr = new int[3];
arr[0] = 3;
arr[1] = 9;
arr[2] = 8;

静态初始化：在定义数组的同时就为数组元素分配空间并赋值

1 2	String names[] = {"李四光","茅以升","华罗庚"} //方式一 String names[] = new String[]{"李四光","茅以升","华罗庚"} //方式二

元素的引用

定义并用运算符new为之分配空间后，才可以引用数组中的每个元素
数组元素的引用方式：数组名[数组元素下标]
数组的角标（或索引）从0开始的，到数组的长度-1结束
每个数组都有一个属性length指明它的长度，例如：a.length 指明数组a的长度(元素个数)

默认初始化值

数组元素类型	元素默认初始化值
byte	0
short	0
int	0
long	0L
float	0.0F
double	0.0
char	0或’\u0000’
boolean	false
引用数据类型	null

内存解析

练习一

从键盘读入学生成绩，找出最高分，并输出学生成绩等级。成绩>=最高分-10等级为’A’ ，成绩>=最高分-20等级为’B’，成绩>=最高分-30 等级为’C’，其余等级为’D’。提示：先读入学生人数，根据人数创建int数组，存放学生成绩。

import java.util.Scanner;
public class ArrayDemo1 {
    public static void main(String[] args) {
        // 1.使用Scanner，读取学生个数
        Scanner scan = new Scanner(System.in);
        System.out.print("请输入学生人数：");
        int number = scan.nextInt();        
        // 2.创建数组，存储学生成绩：动态初始化
        int scores[] = new int[number];
        System.out.println("请输入" + number + "个成绩");        
        // 3.给数组中的元素赋值，并获取数组中元素的最大值
        int maxScore = 0;
        for (int i = 0; i < scores.length; i++) {
            scores[i] = scan.nextInt();
            if (scores[i] > maxScore) {
            	maxScore = scores[i];
            }
        }
        System.out.println("最高分是：" + maxScore);        
        // 4.根据每个学生成绩与最高分的差值，得到每个学生的等级，并输出等级和成绩
        char level;
        for (int i = 0; i < scores.length; i++) {
            if (maxScore - scores[i] <= 10) {
            	level = 'A';
            } else if (maxScore - scores[i] <= 20) {
            	level = 'B';
            } else if (maxScore - scores[i] <= 30) {
            	level = 'C';
            } else {
            	level = 'D';
            }        
            System.out.println("student " + i + " score is " + scores[i] + " grade is " + level);
        }
    }
}

二维数组

数组属于引用数据类型，数组的元素也可以是引用数据类型。我们可以看成是一维数组array1又作为另一个一维数组array2的元素而存在，从数组底层的运行机制来看，其实没有多维数组。

声明和初始化

int[] arr = new int[]{1,2,3};//一维数组	
int[][] arr1 = new int[][]{{1,2,3},{4,5},{6,7,8}};//静态初始化
String[][] arr2 = new String[3][2];//动态初始化1
String[][] arr3 = new String[3][];//动态初始化2
//也是正确的写法：
int[] arr4[] = new int[][]{{1,2,3},{4,5,9,10},{6,7,8}};
int[] arr5[] = {{1,2,3},{4,5},{6,7,8}};//类型推断

动态初始化

二维数组[][]：数组中的数组
格式1(动态初始化)：int[][] arr = new int[3][2];
定义了名称为arr的二维数组二维数组中有3个一维数组每个一维数组中有2个元素一维数组的名称分别为arr[0]，arr[1]，arr[2] 给角标为[0][1]的数组元素赋值为78：arr[0][1] = 78;
格式2(动态初始化)：int[][] arr = new int[3][];
二维数组中有3个一维数组每个一维数组都是默认初始化值null 可以对这三个一维数组分别进行初始化 arr[0] = new int [3]; arr[1] = new int[1]; arr[2] = new int[2]; 注：int[][] arr = new int[][3];//非法

静态初始化

格式3(静态初始化)
定义一个名称为arr的二维数组，二维数组中有三个一维数组每一个一维数组中具体元素也已初始化第一个一维数组arr[0] = {3,8,2}; 第二个一维数组arr[1] = {2,7}; 第三个一维数组arr[2] = {9,0,1,6}; 第三个一维数组的长度表示方式：arr[2].length;
注意特殊写法情况：int[] x,y[];x是一维数组，y是二维数组 java中多维数组不必都是规则矩阵形式

数组的遍历

for(int i = 0;i < arr4.length;i++){
    for(int j = 0;j < arr4[i].length;j++){
        System.out.print(arr4[i][j] + " ");
    }
    System.out.println();
}

默认初始化值

针对初始化方式一，如int[][] arr = new int[4][3]；则arr数组外层元素的初始化值为地址值，内层元素的初始化值与一维数组初始化情况相同。

int arr[] = new int[3];
System.out.println(arr);// [I@15db9742
int arr1[][] = new int[4][3];
System.out.println(arr1);// [[I@6d06d69c
System.out.println(arr1[0]);// [I@7852e922
System.out.println(arr1[0][0]);// 0

针对初始化方式二，如int[][] arr = new int[4][]；则arr数组外层元素的初始化值为null；内层元素的初始化值不能调用，否则报错。

1
2
3

double[][] arr4 = new double[4][];
System.out.println(arr4[1]);// null
System.out.println(arr4[1][0]);//报错NullPointerException空指针异常

内存解析

练习二

使用二维数组打印一个 10 行杨辉三角形；要求：1.第一行有 1 个元素, 第 n 行有 n 个元素；2.每一行的第一个元素和最后一个元素都是 1；3.从第三行开始, 对于非第一个元素和最后一个元素的元素。即：yangHui[i][j] = yangHui[i-1][j-1] + yangHui[i-1][j];运行结果如下：

public class ArrayDemo2{
    public static void main(String[] args){
        int[][] yangHui = new int[10][];
        for(int i = 0;i < yangHui.length;i++){
            yangHui[i] = new yangHui[i + 1];
            yangHui[i][0] = yangHui[i][i] = 1;
            for(int j = 1;j < yangHui[i].length - 1;j++){
                yangHui[i][j] = yangHui[i-1][j-1] + yangHui[i-1][j];
            }
            for(int j = 0;j < yangHui[i].length;j++){
                System.out.print(yangHui[i][j] + " ");
            }
            System.out.println();
        }
    }
}

数组的常见算法

数组元素的赋值(杨辉三角、回形数等)
求数值型数组中元素的最大值、最小值、平均数、总和等
数组的复制、反转、查找(线性查找、二分法查找)
数组元素的排序算法

练习三

定义一个int型的一维数组，包含10个元素，分别赋一些随机的整数，然后求出所有元素的最大值，最小值，和值，平均值，并输出出来。要求：所有随机数都是两位数。

public class ArrayDemo3 {
    public static void main(String[] args){
        int[] arr = new int[10];
        for(int i = 0;i < arr.length;i++){
            arr[i] = (int)(Math.random() * 90) + 10;
            System.out.print(arr[i] + " ");
        }
        System.out.println();
        int maxValue,minValue;
        maxValue = minValue = arr[0];
        int sum = 0;
        for(int i = 0;i < arr.length;i++){
            if(maxValue < arr[i]){
                maxValue = arr[i];
            }
            if(minValue > arr[i]){
                minValue = arr[i];
            }
            sum += arr[i];  
        }
        int ave = sum / arr.length;
        System.out.println("所有元素的最大值是：" + maxValue +";最小值是：" + minValue + "；和值是：" + sum + ";平均值是：" + ave);
    }
}

练习四

数组的复制、反转、查找（线性查找、二分法查找）

public class ArrayDemo4 {
    public static void main(String[] args) {
        String[] arr = new String[]{"JJ","DD","MM","BB","GG","AA"};
        
        //数组的复制(区别于数组变量的 赋值：arr1 = arr)
        String[] arr1 = new String[arr.length];
        for(int i = 0; i < arr1.length;i++){
            arr1[i] = arr[i];
            System.out.print(arr1[i] + "\t");
        }
        System.out.println();
        
        //数组的反转
        //法1
        String temp;
        for(int i = 0;i < arr.length / 2;i++){//一定要除2，不然会换两次又换 回去
            temp = arr[i];
            arr[i] = arr[arr.length - i -1];
            arr[arr.length - i -1] = temp;	
        }
        //法2
        for(int i = 0,j = arr.length-1;i < j;i++,j--){
            temp = arr[i];
            arr[i] = arr[j];
            arr[j] = temp;
        }    
        //查找(或搜索)
        //线性查找：
        String dest = "CC";
        boolean isFlag = true;
        for(int i = 0;i < arr.length;i++){
            if(dest.equals(arr[i])){
                System.out.println("BB在数组arr的位置是：" + (i+1));
                isFlag = false;
                break;
            }
        }
        if(isFlag == true){
            System.out.println("很遗憾，没有找到哦！");
        }
        
        //二分法查找：：要求查找的数组必须有序
        int[] arr3 = new int[]{-98,-34,2,34,54,66,79,105,210,333};
        int dest1 = -34;
        int head = 0;//首索引位置
        int end = arr3.length - 1;//尾索引位置
        boolean isFlag1 = true;
        while(head <= end){
            int middle = (head + end) / 2;
            if(dest1 == arr3[middle]){
                System.out.println("找到了指定元素，位置为：" + middle);
                isFlag1 = false;
                break;
            }else if(arr3[middle] > dest1){
                end = middle -1;
            }else{//arr3[middle] < number
                head = middle + 1;
            }	
        }
        if(isFlag1){
            System.out.println("很遗憾，没有找到的啦 ");
        }
    }
}

数组元素的排序算法

假设含有n个记录的序列为{R1，R2，…,Rn}，其相应的关键字序列为{K1，K2，…,Kn}。将这些记录重新排序{Ri1,Ri2,…,Rin}，使得相应的关键字值满足条Ki1<=Ki2<=…<=Kin，这样的一种操作称为排序。通常来说，排序的目的是快速查找。衡量排序算法的优劣有以下三点：

时间复杂度：分析关键字的比较次数和记录的移动次数
空间复杂度：分析排序算法中需要多少辅助内存
稳定性：若两个记录A和B的关键字值相等，排序后的先后次序保持不变，则这种排序是稳定的

排序算法分类

内部排序：整个排序过程不需要借助于外部存储器（如磁盘等），所有排序操作都在内存中完成。
外部排序：参与排序的数据非常多，计算机无法把整个排序过程放在内存中完成，必须借助于外部存储器（如磁盘）。外部排序最常见的是多路归并排序，可认为外部排序是由多次内部排序组成。

十大内部排序算法：选择排序（直接选择排序、堆排序）、交换排序（冒泡排序、快速排序）、插入排序（直接插入排序、折半插入排序、Shell希尔排序）、归并排序、桶式排序、基数排序。

算法的五大特征：

特征	描述
输入（Input）	有0个或多个输入数据，这些输入必须有清楚的描述和定义
输出（Output）	至少有 1 个或多个输出结果，不可以没有输出结果
有穷性（有限性，Finiteness）	算法在有限的步骤之后会自动结束而不会无限循环，并且每一个步骤可以在可接受的时间内完成
确定性（明确性，Definiteness）	算法中的每一步都有确定的含义，不会出现二义性
可行性（有效性，Effectiveness）	算法的每一步都是清楚且可行的，能让用户用纸笔计算而求出答案

满足确定性的算法称为确定性算法。现在人们关注更广泛的概念，例如考虑各种非确定性的算法，如并行算法、概率算法等。另外也关注不要求终止的计算描述，这种描述有时被称为过程（procedure）。

冒泡排序

冒泡排序是一种简单的交换排序算法，以升序排序为例，其核心思想是：

从第一个元素开始，比较相邻的两个元素。如果第一个比第二个大，则进行交换。
对每对相邻元素执行同样的比较操作，从开始第一对到结尾最后一对，最后的元素会是最大的数。
除了每次排序得到的最后一个元素，对剩余元素重复以上步骤，直到没有任何元素需要比较为止。

// 使用冒泡排序，实现如下的数组从小到大排序。
int[] arr = new int[] {3,44,38,5,47,15,36,26,27,2,46,4,19,50,48};
for (int i = 0; i < arr.length - 1; i++) {
    for (int j = 0; j < arr.length - 1 - i; j++) {
        if (arr[j] > arr[j + 1]) {
            int temp = arr[j];
            arr[j] = arr[j + 1];
            arr[j + 1] = temp;
        }
    }
}

快速排序

从数列中挑出一个元素，称为“基准”（pivot）。重新排序数列，所有元素比基准值小的摆放在基准前面，所有元素比基准值大的摆在基准的后面（相同的数可以到任一边）。在这个分区结束之后，该基准就处于数列的中间位置。这个称为分区（partition）操作。
递归地（recursive）把小于基准值元素的子数列和大于基准值元素的子数列排序。
递归的最底部情形是数列的大小是零或一，也就是已经被排序好了。虽然一直递归下去，但是这个算法总会结束，因为在每次的迭代（iteration）中，它至少会把一个元素摆到它最后的位置去。

各种排序算法性能对比如下：

排序类型	平均情况	最好情况	最坏情况	辅助空间	稳定性
冒泡排序	O(n²)	O(n)	O(n²)	O(1)	稳定
选择排序	O(n²)	O(n²)	O(n²)	O(1)	不稳定
直接插入排序	O(n²)	O(n)	O(n²)	O(1)	稳定
折半插入排序	O(n²)	O(n)	O(n²)	O(1)	稳定
希尔排序	O(n^1.3)	O(n)	O(n²)	O(1)	不稳定
归并排序	O(nlog₂n)	O(nlog₂n)	O(nlog₂n)	O(n)	稳定
快速排序	O(nlog₂n)	O(nlog₂n)	O(n²)	O(nlog₂n)	不稳定
堆排序	O(nlog₂n)	O(nlog₂n)	O(nlog₂n)	O(1)	不稳定
计数排序	O(n+k)	O(n+k)	O(n+k)	O(n+k)	稳定
桶排序	O(n+k)	O(n)	O(n²)	O(n+k)	稳定
基数排序	O(n*k)	O(n*k)	O(n*k)	O(n+k)	稳定

各种内部排序方法性能比较：

(1)从平均时间而言：快速排序最佳，但在最坏情况下时间性能不如堆排序和归并排序。
(2)从算法简单性看：由于选择排序、直接插入排序和冒泡排序的算法比较简单，将其认为是简单算法。对于Shell排序、堆排序、快速排序和归并排序算法，其算法比较复杂，认为是复杂排序。
(3)从稳定性看：冒泡排序、直接插入排序和归并排序稳定。选择排序、快速排序、希尔排序不稳定。
(4)从待排序的记录数n的大小看：n较小时，宜采用简单排序；而n较大时宜采用改进排序。

排序算法的选择：

(1)若n较小(如n≤50)，可采用直接插入或直接选择排序。当记录规模较小时，直接插入排序较好；否则因为直接选择移动的记录数少于直接插入，应选直接选择排序为宜。
(2)若文件初始状态基本有序(指正序)，则应选用直接插入、冒泡或随机的快速排序为宜。
(3)若n较大，则应采用时间复杂度为O(nlgn)的排序方法：快速排序、堆排序或归并排序。

Arrays工具类的使用

java.util.Arrays类即为操作数组的工具类，包含了用来操作数组（比如排序和搜索）的各种方法。

方法	作用
boolean equals(int[] a,int[] b)	判断两个数组是否相等
String toString(int[] a)	输出数组信息
void fill(int[] a,int val)	将指定值填充到数组之中
void sort(int[] a)	对数组进行排序
int binarySearch(int[] a,int key)	对排序后的数组进行二分法检索指定的值

//1. boolean equals(int[] a,int[] b) 判断两个数组是否相等。
int[] arr1 = new int[]{1,2,3,4};
int[] arr2 = new int[]{1,3,2,4};
boolean isEquals = Arrays.equals(arr1,arr2);
System.out.println(isEquals);//false

//2. String toString(int[] a) 输出数组信息。
System.out.println(Arrays.toString(arr1));//[1, 2, 3, 4]

//3. void fill(int[] a,int val) 将指定值填充到数组之中。
Arrays.fill(arr1,10);
System.out.println(Arrays.toString(arr1));//[10, 10, 10, 10]

//4. void sort(int[] a) 对数组进行排序。
Arrays.sort(arr2);
System.out.println(Arrays.toString(arr2));//[1, 2, 3, 4]

//5. int binarySearch(int[] a,int key) 对排序后的数组进行二分法检索指定的值。
int[] arr3 = new int[]{-98,-34,2,34,54,66,79,105,210,333};
int index = Arrays.binarySearch(arr3,211);//未找到
if(index >= 0){
    System.out.println(index);
}else{
    System.out.println("未找到");
}

数组使用中的常见异常

编译时不报错，运行时报错，一旦程序出现异常就终止执行。

数组脚标越界异常(ArrayIndexOutOfBoundsException)
int[] arr1 = new int[2]; System.out.println(arr1[2]);//右边越界 System.out.println(arr1[-1]);//左边越界访问到了数组中的不存在的脚标时发生。
空指针异常(NullPointerException)
int[] arr2 = new int[]{1,2,3}; arr2 = null; System.out.println(arr2[0]);//空指针异常 arr引用没有指向实体，却在操作实体中的元素时。
String[] arr3 = new String[]{“AA”,“BB”,“CC”}; arr3[0] = null; System.out.println(arr3[0].toString());//空指针异常，输出arr3[0]的内容
int[][] arr4 = new int[3][]; System.out.println(arr4);//地址值 System.out.println(arr4[0]);//null System.out.println(arr4[0][0]);//空指针异常