Java数据结构之数组

 一、什么是数组？

数组是一种线性数据结构，用于存储相同类型的元素的固定大小的集合。

在 Java 中，数组本质上是一个对象，它存储一组连续的内存空间，用于存放相同类型的元素，并通过索引（index）来访问这些元素。

int[] arr = new int[5]; // 声明一个长度为5的整型数组

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 二、数组的基本特点

特性	说明
类型固定	数组中的所有元素必须是同一类型（或其子类型）。
长度固定	一旦创建，长度不可改变（不可动态扩容）。
索引从0开始	第一个元素索引为 0，最后一个为 length - 1。
连续内存	元素在内存中是连续存储的，利于缓存访问。
引用类型	数组是对象，即使元素是基本类型，数组本身也是堆上的对象。

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 三、数组的声明与创建

1. 声明方式（两种等价写法）

int[] arr;     // 推荐：更清晰地表达“arr 是一个 int 数组”
int arr[];     // C 风格，不推荐

2. 创建方式

3.2.1动态初始化（指定长度）

int[] arr = new int[10]; // 创建10个int，默认值0
String[] strs = new String[5]; // 5个null引用

 3.2.2静态初始化（直接赋值）

int[] arr = {1, 2, 3, 4, 5};
String[] names = {"Alice", "Bob", "Charlie"};

注意：静态初始化时不能指定长度，由编译器推断。

3.2.3动态初始化后赋值

int[] arr = new int[3];
arr[0] = 10;
arr[1] = 20;
arr[2] = 30;

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四、内存模型（深入理解）

JVM 中数组的存储结构

int[] arr = new int[4];

在 JVM 堆（Heap）中分配一块连续的空间：

• arr 是一个引用变量，存放在栈上。
• 实际的数组对象在堆上分配。
• 每个元素占据固定字节（如 int 占 4 字节），所以可以随机访问（Random Access）。

正因为连续存储 + 固定大小，所以可以通过 base_address + index * element_size 快速定位元素。

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 五、多维数组（其实是数组的数组）

Java 中的多维数组不是真正的“二维表”，而是数组的数组。

int[][] matrix = new int[3][4]; // 3行4列的二维数组

这相当于创建了一个长度为3的一维数组，每个元素是一个长度为4的 int[]。也可以是不规则数组（Jagged Array）：

int[][] jagged = new int[3][];
jagged[0] = new int[2];
jagged[1] = new int[5];
jagged[2] = new int[3];

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 六、数组的常用操作

操作	示例
访问元素	arr[0]
修改元素	arr[1] = 100;
获取长度	arr.length （注意：不是 length() 方法）
遍历	for, for-each, Arrays.stream()
复制	System.arraycopy(), Arrays.copyOf()
排序	Arrays.sort(arr)
查找	Arrays.binarySearch()（需先排序）
转字符串	Arrays.toString(arr)

示例：遍历

int[] arr = {1, 2, 3, 4, 5};// 方式1：普通for
for (int i = 0; i < arr.length; i++) {System.out.println(arr[i]);
}// 方式2：增强for（for-each）
for (int value : arr) {System.out.println(value);
}// 方式3：Stream（Java 8+）
Arrays.stream(arr).forEach(System.out::println);

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 七、Arrays 工具类（java.util.Arrays）

这是处理数组的利器，封装了常用操作：

import java.util.Arrays;int[] arr = {5, 2, 8, 1};Arrays.sort(arr);                    // 排序：[1,2,5,8]
int index = Arrays.binarySearch(arr, 5); // 二分查找，返回索引
int[] copy = Arrays.copyOf(arr, 10); // 扩容复制
boolean equals = Arrays.equals(arr1, arr2);
String str = Arrays.toString(arr);   // 输出：[1, 2, 5, 8]

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 八、数组的优缺点

优点	缺点
支持随机访问（O(1)）	长度固定，无法动态扩容
内存连续，缓存友好	插入/删除效率低（O(n)）
实现简单，性能高	类型单一，功能有限
是很多数据结构的基础（如 ArrayList 底层就是数组）	不支持泛型（原始类型数组）

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九、数组 vs ArrayList

对比项	数组（Array）	ArrayList
大小	固定	动态可变
类型	可存基本类型	只能存对象（包装类）
泛型	不支持	支持
方法	少（length属性）	丰富（add, remove, size等）
性能	更快（直接内存访问）	稍慢（封装开销）
内存	节省	多一些（对象头、扩容）

 ArrayList 底层就是基于数组实现的，它通过扩容机制（通常是1.5倍）解决数组长度固定的问题。

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十、常见&易错点

1. length vs length() vs size()

   • 数组：arr.length（属性，不是方法）
   • 字符串：str.length()
   • 集合：list.size()

2. 数组越界异常

   int[] arr = new int[3];
   System.out.println(arr[3]); // ❌ 抛出 ArrayIndexOutOfBoundsException

3. 空指针异常

   int[] arr = null;
   System.out.println(arr.length); // ❌ NullPointerException

4. 深拷贝 vs 浅拷贝

   • 基本类型数组：Arrays.copyOf 是深拷贝
   • 引用类型数组：需手动深拷贝每个对象

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最后总结：数组的核心要点

• 数组是固定大小、连续内存、同类型的集合。
• 是 Java 中最基础的数据结构，访问快（O(1)），但增删慢（O(n)）。
• 多维数组是“数组的数组”。
• 推荐使用 java.util.Arrays 工具类进行操作。
• 虽然功能有限，但它是 ArrayList、HashMap 等集合类的底层基础。