JavaSE 数组从入门到面试全解析

JavaSE 数组从入门到面试全解析

在 Java 编程的世界里，数组是一种基础且重要的数据结构。无论是初学者入门，还是开发者面试，数组都是绕不开的知识点。本文将从数组的基础知识讲起，逐步深入，并解答面试中关于数组的常见问题。

数组基础知识

数组的定义

数组是相同类型数据的有序集合。它可以存储多个相同类型的元素，这些元素在内存中占据连续的空间，通过索引来访问。

数组的特点

• 数组中的元素必须是相同类型。

• 数组的长度是固定的，一旦创建，长度就不能改变。

• 数组中的元素可以是基本数据类型，也可以是引用数据类型。

• 数组本身是引用数据类型，它存储在堆内存中。

数组的声明

在 Java 中，数组的声明有两种方式：

// 方式一
数据类型[] 数组名;
// 方式二
数据类型 数组名[];

例如：

int[] arr1;
int arr2[];

通常推荐使用方式一，这种方式更能体现数组是一种引用类型。

数组的初始化

数组的初始化有静态初始化和动态初始化两种方式。

静态初始化

静态初始化是在声明数组的同时为数组元素赋值，数组的长度由赋值的元素个数决定。

// 完整语法
数据类型[] 数组名 = new 数据类型[]{元素1, 元素2, ..., 元素n};
// 简化语法
数据类型[] 数组名 = {元素1, 元素2, ..., 元素n};

示例：

int[] arr1 = new int[]{1, 2, 3, 4, 5};
int[] arr2 = {6, 7, 8, 9, 10};

动态初始化

动态初始化是先指定数组的长度，然后再为数组元素赋值，数组元素会有默认值（基本数据类型的默认值如 int 为 0，boolean 为 false 等；引用数据类型的默认值为 null）。

数据类型[] 数组名 = new 数据类型[长度];

示例：

int[] arr = new int[5];
arr[0] = 1;
arr[1] = 2;
// 依次为其他元素赋值

数组的访问

数组通过索引来访问元素，索引从 0 开始，最大索引为数组长度减 1。

数组名[索引]

示例：

int[] arr = {1, 2, 3};
System.out.println(arr[0]); // 输出1
arr[1] = 4;
System.out.println(arr[1]); // 输出4

数组的遍历

遍历数组就是依次访问数组中的每个元素，常用的方式有 for 循环和增强 for 循环（foreach）。

for 循环遍历

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

增强 for 循环遍历

增强 for 循环更简洁，但不能修改数组元素的值（如果修改，不会影响原数组）。

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

数组的常见操作

数组的复制

可以使用System.arraycopy()方法或Arrays.copyOf()方法来复制数组。

• System.arraycopy()：public static void arraycopy(Object src, int srcPos, Object dest, int destPos, int length)，其中 src 是源数组，srcPos 是源数组复制的起始位置，dest 是目标数组，destPos 是目标数组接收复制元素的起始位置，length 是复制的长度。

int[] src = {1, 2, 3, 4, 5};
int[] dest = new int[5];
System.arraycopy(src, 0, dest, 0, 3);
// dest数组此时为{1, 2, 3, 0, 0}

• Arrays.copyOf()：public static T[] copyOf(T[] original, int newLength)，original 是源数组，newLength 是新数组的长度。如果新长度大于源数组长度，多余部分用默认值填充；如果小于，只复制前 newLength 个元素。

int[] src = {1, 2, 3, 4, 5};
int[] dest1 = Arrays.copyOf(src, 3); // dest1为{1, 2, 3}
int[] dest2 = Arrays.copyOf(src, 7); // dest2为{1, 2, 3, 4, 5, 0, 0}

数组的排序

可以使用Arrays.sort()方法对数组进行排序，该方法对基本数据类型数组采用双轴快速排序算法，对引用数据类型数组采用 TimSort 算法。

int[] arr = {3, 1, 4, 1, 5, 9};
Arrays.sort(arr);
// 排序后arr为{1, 1, 3, 4, 5, 9}

数组的查找

• 线性查找：逐个遍历数组元素，查找目标值。

public static int linearSearch(int[] arr, int target) {for (int i = 0; i < arr.length; i++) {if (arr[i] == target) {return i;}}return -1;
}

• 二分查找：要求数组必须是有序的，通过不断缩小查找范围来查找目标值。Arrays.binarySearch()方法实现了二分查找。

int[] arr = {1, 3, 5, 7, 9};
int index = Arrays.binarySearch(arr, 5); // index为2
int index2 = Arrays.binarySearch(arr, 4); // 查找不到，返回-3（插入点为2，-(2 + 1) = -3）

面试常见问题及答案

问题 1：数组和集合有什么区别？

答案：数组和集合的区别主要体现在以下几个方面：

• 长度方面：数组的长度是固定的，一旦创建就不能改变；而集合的长度是可变的，可以动态地添加或删除元素。

• 存储类型方面：数组可以存储基本数据类型，也可以存储引用数据类型；而集合只能存储引用数据类型（如果要存储基本数据类型，需要使用对应的包装类）。

• 功能方面：集合提供了丰富的方法来操作元素，如添加、删除、查找等，而数组的操作相对简单，很多功能需要自己实现。

• 类型安全方面：泛型出现后，集合可以提供编译时的类型安全检查；而数组在编译时也会进行类型检查，但在某些情况下可能会出现类型转换异常。

问题 2：数组的初始化方式有哪几种？

答案：数组的初始化方式有静态初始化和动态初始化两种。

• 静态初始化：在声明数组的同时为数组元素赋值，数组的长度由赋值的元素个数决定。例如int[] arr = {1, 2, 3};或int[] arr = new int[]{1, 2, 3};。

• 动态初始化：先指定数组的长度，然后再为数组元素赋值，数组元素会有默认值。例如int[] arr = new int[3];，然后再为 arr [0]、arr [1]、arr [2] 赋值。

问题 3：如何获取数组的长度？

答案：在 Java 中，可以通过数组的length属性来获取数组的长度，例如arr.length。需要注意的是，length是属性，不是方法，所以不需要加括号。

问题 4：数组的索引为什么从 0 开始？

答案：主要有以下几个原因：

• 历史原因：许多早期的编程语言（如 C 语言）的数组索引从 0 开始，Java 在设计时借鉴了 C 语言的很多特性，包括数组索引从 0 开始。

• 内存地址计算：数组元素在内存中是连续存储的，对于数组arr，第i个元素的内存地址可以通过arr[0]的地址加上i * 元素大小来计算，从 0 开始可以使计算更简单。

问题 5：什么是数组的深拷贝和浅拷贝？

答案：

• 浅拷贝：当数组中的元素是引用数据类型时，浅拷贝只是复制了数组的引用，新数组和原数组中的元素指向同一个对象。修改新数组中元素的属性，会影响原数组中对应元素的属性。

• 深拷贝：不仅复制了数组的引用，还为数组中的每个引用数据类型元素创建了一个新的对象，并将原对象的属性值复制到新对象中。新数组和原数组中的元素指向不同的对象，修改新数组中元素的属性，不会影响原数组中对应元素的属性。

对于基本数据类型数组，浅拷贝和深拷贝的效果是一样的，因为基本数据类型存储的是值本身。

问题 6：Arrays 工具类有哪些常用方法？

答案：Arrays 工具类提供了很多操作数组的静态方法，常用的有：

• sort()：对数组进行排序。

• binarySearch()：在有序数组中进行二分查找，返回元素的索引。

• copyOf()：复制数组，创建一个新的数组。

• arraycopy()：复制数组的一部分到另一个数组。

• equals()：比较两个数组是否相等（元素值和顺序都相同）。

• fill()：将数组中的元素填充为指定的值。

• toString()：将数组转换为字符串。

问题 7：数组在内存中是如何存储的？

答案：数组是引用数据类型，它在内存中的存储分为两部分：

• 数组引用：存储在栈内存中，它指向数组对象在堆内存中的地址。

• 数组对象：存储在堆内存中，数组中的元素就存储在数组对象中。对于基本数据类型数组，数组对象直接存储元素的值；对于引用数据类型数组，数组对象存储的是元素对象的引用（即元素对象在堆内存中的地址）。

例如，int[] arr = new int[3];，arr是数组引用，存储在栈内存中，它指向堆内存中创建的int数组对象，该数组对象有 3 个元素，初始值为 0，存储在堆内存中。

问题 8：如何判断一个数组是否包含某个元素？

答案：可以通过以下几种方式判断：

• 对于无序数组，使用线性查找，遍历数组中的每个元素，看是否有与目标元素相等的元素。

• 对于有序数组，可以使用二分查找（如Arrays.binarySearch()方法），如果返回的索引大于等于 0，则说明数组包含该元素。

• 也可以将数组转换为集合，然后使用集合的contains()方法来判断，例如Arrays.asList(arr).contains(target)，但需要注意，对于基本数据类型数组，这种方式需要先将其转换为对应的包装类数组。

数组作为 JavaSE 中的基础数据结构，是我们学习后续复杂数据结构和算法的基石。掌握好数组的相关知识，不仅能帮助我们更好地理解 Java 的内存模型和数据处理逻辑，也能在面试中从容应对各类问题。希望本文所整理的内容能为你的 Java 学习之路助力，祝大家在编程的世界里不断探索，收获成长！