Java 笔记 13：Java 数组内容，数组的声明、创建、初始化、赋值等，以及内存分析

一、前言

记录时间 [2024-05-03]

系列文章简摘：
Java 笔记 01：Java 概述，MarkDown 常用语法整理
Java 笔记 02：Java 开发环境的搭建，IDEA / Notepad++ / JDK 安装及环境配置，编写第一个 Java 程序
Java 笔记 11：Java 方法相关内容，方法的设计原则，以及方法的定义和调用
Java 笔记 12：Java 方法的相关使用，方法重载、参数传递，以及递归等内容

更多 Java 相关文章，请参考上面专栏哦。

本文讲述 Java 数组相关知识，包括数组的声明和创建、以及数组的简单使用。此外，文章对 Java 内存进行分析，从内存的角度分析了数组创建的过程。


二、数组概述

Java 中的数组是一种数据结构，用于存储同一类型的多个元素。

数组在 Java 中被定义为一个对象，具有固定的长度，并且可以容纳各种数据类型，包括原始数据类型和引用数据类型。

  • 数组是相同类型数据的有序集合；
  • 数组描述的是相同类型的若干个数据，按照一定的先后次序排列组合而成；
  • 每一个数据称作一个数组元素，每个数组元素可以通过一个下标来访问；
  • 数组的下标从 0 开始。

使用数组可以避免定义多个重复的同种类型变量。


三、数组声明和创建

在 Java 中，声明数组和创建数组可以一起完成，也可以分开进行。

1. 数组声明

必须先声明数组变量，然后才能在程序中使用数组。声明数组变量的语法是指定数组类型和数组名称。下面是声明数组变量的语法：

// 首选方法
dataType[] arrayRefVar;

// 另一种方法，效果相同
dataType arrayRefVar[];

// 例如，声明一个整型数组变量
int[] myArray;

这两种形式都可以用来声明数组变量，它们是等价的，没有功能上的区别。

但通常建议使用 dataType[] arrayRefVar; 的形式，因为它更符合 Java 编程的传统风格，并且更容易让人理解。


2. 数组创建

在 Java 中，使用 new 操作符来创建数组是一种常见的做法。new 操作符用于在堆内存中动态创建对象或数组实例。

创建数组语法如下：

// 声明和创建同时完成
// arraySize 指定数组长度
dataType[] arrayRefVar = new dataType[arraySize];

// 先声明，后创建
dataType[] arrayRefVar;
arrayRefVar = new dataType[arraySize];

// 例如，创建一个长度为 5 的整型数组
// 可以存放 5 个 int 类型的数字
int[] myArray = new int[5];

在这个例子中，new 操作符创建了一个长度为 5 的整型数组，并将其引用赋值给了 myArray 变量。这个数组会在堆内存中被动态分配空间。

创建数组时需要指定数组的长度。


四、数组简单使用

1. 数组索引

在 Java 中，数组索引用于访问数组中的元素。数组索引从 0 开始，因此第一个元素的索引是 0，第二个元素的索引是 1，以此类推。

可以使用方括号 [] 来指定数组中的索引位置。

示例代码如下：

int[] myArray = {10, 20, 30, 40, 50};

// 访问数组中的第一个元素（索引为 0）
int firstElement = myArray[0]; // firstElement 的值为 10

// 访问数组中的第三个元素（索引为 2）
int thirdElement = myArray[2]; // thirdElement 的值为 30

在这个例子中，myArray[0] 表示访问数组 myArray 中的第一个元素，而 myArray[2] 表示访问数组中的第三个元素。

需要注意的是，如果尝试访问超出数组范围的索引位置，将会导致 ArrayIndexOutOfBoundsException 异常。因此，在使用数组时应当确保索引值在合法的范围内。


2. 数组长度

在 Java 中，可以使用数组的 length 属性来获取数组的长度。这个属性返回数组中元素的数量，即数组的大小。

示例代码如下：

// 创建并初始化数组
int[] myArray = {10, 20, 30, 40, 50};

// 获取数组的长度，即 5
int arrayLength = myArray.length;

在这个例子中，myArray.length 返回数组 myArray 中元素的数量，即 5。

  • length 是数组的属性，而不是方法，因此不需要使用括号。
  • 这个属性对于确定数组的大小，以及遍历数组非常有用。
  • 数组的长度是固定的，一旦创建了数组并分配了空间，就不能再改变它的长度。

3. 数组初始化

数组的初始化可以分为静态初始化和动态初始化两种方式。

其中，动态初始化包含默认初始化。

静态初始化

在静态初始化中，可以在声明数组的同时为其赋初值。它的语法简洁，适用于已经知道数组初始值的情况。

静态初始化时，不需要指定数组的大小，编译器会根据提供的初始值自动确定数组的长度。

普通类型的静态初始化，示例代码如下：

// 声明并静态初始化一个整型数组
int[] myArray = {10, 20, 30, 40, 50};

在这个例子中，myArray 是一个整型数组，它包含了 5 个元素，并且每个元素的值分别为10、20、30、40 和 50。

引用类型的静态初始化

静态初始化对于引用类型的数组也同样适用，不需要显式指定数组的大小，编译器会根据提供的初始值自动确定数组的长度。

对于引用类型的数组，静态初始化方式与基本类型数组类似。可以在声明数组时直接为其赋予初始值，示例代码如下：

// 声明并静态初始化一个字符串数组
String[] myArray = {"apple", "banana", "orange"};

在这个示例中，myArray 是一个字符串数组，包含了3个元素，分别是 “apple”、“banana” 和 “orange”。

引用其他类的对象

如果想要在静态初始化数组时引用其他类的对象，可以像下面这样做：

// 假设有一个名为 Person 的类
class Person {
    String name;
    int age;

    // 构造函数
    Person(String name, int age) {
        this.name = name;
        this.age = age;
    }
}

// 在静态初始化中引用 Person 类的对象
Person[] people = {
    new Person("Alice", 25),
    new Person("Bob", 30),
    new Person("Charlie", 35)
};

在这个例子中：

  • people 是一个 Person 类型的数组，包含了三个 Person 对象；
  • 每个对象都通过 new Person(...) 创建并初始化；
  • 每个 Person 对象都有一个名字 name 和年龄 age 属性。

这样就可以在静态初始化数组时引用其他类的对象了。


动态初始化

动态初始化数组是在声明数组后，使用 new 关键字为数组分配内存空间，并为数组元素赋初始值的一种方式。

相比于静态初始化，动态初始化更加灵活，可以在运行时确定数组的大小以及元素的值。

需要注意的是，动态初始化的数组长度必须是一个非负的整数值。

示例代码如下：

// 声明一个整型数组
int[] myArray;

// 使用 new 关键字动态初始化数组，并指定数组的长度为 5
myArray = new int[5];

// 为数组元素赋值
myArray[0] = 10;
myArray[1] = 20;
myArray[2] = 30;
myArray[3] = 40;
myArray[4] = 50;

在这个例子中：

  • 首先声明了一个整型数组变量 myArray；
  • 然后使用 new 关键字为其分配了一个长度为 5 的内存空间；
  • 之后，通过索引为数组元素赋值。

这种方式下，可以在运行时确定数组的大小，也可以根据具体需求为数组元素赋值。


默认初始化

在 Java 中，如果声明了一个数组但没有对其进行显式初始化，那么 Java 会对数组进行默认初始化。

默认初始化，也叫隐式初始化，是指给数组的元素赋予初始值，这个初始值取决于数组元素的类型。

需要注意的是，在使用数组之前，最好对其进行显式初始化，以避免出现意外的错误。

对于基本数据类型的数组，如果没有进行显式初始化，Java 会将数组的每个元素初始化为该基本数据类型的默认值。

例如：

  • 整型数组的默认值为 0
  • 浮点型数组的默认值为 0.0
  • 布尔型数组的默认值为 false
  • 字符型数组的默认值为 ‘\u0000’（空字符）

示例代码如下：

// 整型数组的默认值为 0
int[] intArray = new int[3];
System.out.println(Arrays.toString(intArray)); // 输出：[0, 0, 0]

// 浮点型数组的默认值为 0.0
double[] doubleArray = new double[3];
System.out.println(Arrays.toString(doubleArray)); // 输出：[0.0, 0.0, 0.0]

// 布尔型数组的默认值为 false
boolean[] booleanArray = new boolean[3];
System.out.println(Arrays.toString(booleanArray)); // 输出：[false, false, false]

// 字符型数组的默认值为 '\u0000'（空字符）
char[] charArray = new char[3];
System.out.println(Arrays.toString(charArray)); // 输出：空字符

对于引用数据类型的数组，默认值为 null。

示例代码如下：

// 引用数据类型的数组，默认值为 null
String[] stringArray = new String[3];
System.out.println(Arrays.toString(stringArray)); // 输出：[null, null, null]

4. 数组元素赋值

在 Java 中，数组元素赋值的方式有两种：索引或初始化。

如果数组中的元素没有被赋初值，那么它的默认值为 0。

通过索引为数组元素赋值：

可以通过索引来为数组元素赋值。可以使用方括号 [] 加上索引来指定要赋值的元素位置，然后将新值赋给该位置。

示例代码如下：

int[] myArray = new int[5]; // 创建一个长度为5的整型数组

// 为数组元素赋值
myArray[0] = 10;	// 下标从 0 开始，给第一个元素赋值为 10
myArray[1] = 20;
myArray[2] = 30;
myArray[3] = 40;
myArray[4] = 50;

在这个例子中，通过 myArray[索引] 的形式，为数组 myArray 中的每个元素赋了一个值。

索引从 0 开始，因此 myArray[0] 表示数组中的第一个元素，myArray[1] 表示第二个元素，以此类推。

初始化赋值：

如果已经在声明数组时进行了初始化，也可以在初始化的同时为数组元素赋值，例如：

// 创建并初始化数组
int[] myArray = {10, 20, 30, 40, 50};

这样的话，数组的每个元素都被赋了初始值。


五、案例分析

1. 计算数组所有元素和

要计算数组中所有元素的和，可以使用一个循环来遍历数组，并将每个元素的值加起来。

下面是一个计算数组所有元素和的示例代码：

int[] myArray = {10, 20, 30, 40, 50};
int sum = 0;

// 遍历数组并计算所有元素的和
for (int i = 0; i < myArray.length; i++) {
    sum += myArray[i];
}

System.out.println("数组所有元素的和为：" + sum);

在这个例子中：

  • 首先创建了一个整型数组 myArray，然后初始化了它。
  • 接下来，定义一个变量 sum 用来存储所有元素的和，并初始化为 0。
  • 然后，使用一个 for 循环遍历数组 myArray，将每个元素的值加到 sum 中。
  • 最后，输出数组所有元素的和。

六、内存分析

进行内存分析时，可以通过各种工具和技术来监视和分析程序的内存使用情况，包括但不限于 JVM 内置的工具（如 jvisualvm、jconsole）、第三方工具（如 VisualVM、YourKit Java Profiler）以及分析内存转储文件（Heap Dump）等。

1. Java 内存分析

在 Java 中进行内存分析通常涉及以下几个方面：

  • 堆内存（Heap Memory）： 堆内存是用于存储对象实例的地方。
    • 所有通过 new 关键字创建的对象都存储在堆内存中，比如数组；
    • 可以被所有的线程共享，不会存放别的对象引用；
    • 堆内存的大小可以通过 JVM 启动参数进行设置；
    • 垃圾回收器负责在堆内存中回收不再使用的对象以释放内存空间。
  • 栈内存（Stack Memory）： 栈内存用于存储方法调用和局部变量。
    • 存放基本变量类型：包含这个基本类型的具体数值；
    • 引用对象的变量：存放这个引用在堆里面的具体地址；
    • 每个线程都有自己的栈内存，用于存储线程的方法调用栈和局部变量；
    • 方法调用时，方法的参数和局部变量会被分配到栈内存中；
    • 当方法执行完毕时，栈帧会被弹出栈，释放内存空间。
  • 方法区（Method Area）： 方法区是存储类信息、常量、静态变量等数据的地方。
    • 可以被所有的线程共享；
    • 包含了所有的 class 和 static 变量；
    • 在方法区中存储的内容包括类的字节码、方法和字段信息、运行时常量池等；
    • 方法区在 JVM 启动时被分配，一般大小固定。

2. 数组创建过程

接下来绘图分析数组创建时，在内存中完成了哪些步骤。

代码中的流程

在代码中，我们完成了 3 个步骤：声明、创建、赋值。

// 1. 声明一个整型数组变量
int[] myArray;

// 2. 创建一个长度为 5 的整型数组
int[] myArray = new int[5];

// 3. 为数组元素赋值
myArray[0] = 10;	// 下标从 0 开始，给第一个元素赋值为 10
myArray[1] = 20;
myArray[2] = 30;
myArray[3] = 40;
myArray[4] = 50;

内存中体现

如图所示，在内存中，这 3 个步骤一一对应。

步骤 1：

声明一个整型数组变量 myArray，变量 myArray 被压入栈中。

// 1. 声明一个整型数组变量
int[] myArray;

在内存中的体现：

在这里插入图片描述

步骤 2：

创建一个长度为 5 的整型数组，在堆中开辟一片空间给它。空间中可以存放 5 个 int 型数据，索引下标从 [0] 开始。数组元素默认赋值为 0。

// 2. 创建一个长度为 5 的整型数组
int[] myArray = new int[5];

在内存中的体现：

在这里插入图片描述

步骤 3：

为数组元素赋值，给第一个元素赋值为 10，第二个为 20，依此类推。

// 3. 为数组元素赋值
myArray[0] = 10;	// 下标从 0 开始，给第一个元素赋值为 10
myArray[1] = 20;
myArray[2] = 30;
myArray[3] = 40;
myArray[4] = 50;

在内存中的体现：

在这里插入图片描述


七、总结

本文讲述 Java 数组相关知识，包括数组的声明和创建、以及数组的简单使用。此外，文章对 Java 内存进行分析，从内存的角度分析了数组创建的过程。

一些参考资料

狂神说 Java 零基础：https://www.bilibili.com/video/BV12J41137hu/
TIOBE 编程语言走势： https://www.tiobe.com/tiobe-index/
Typora 官网：https://www.typoraio.cn/
Oracle 官网：https://www.oracle.com/
Notepad++ 下载地址：https://notepad-plus.en.softonic.com/
IDEA 官网：https://www.jetbrains.com.cn/idea/
Java 开发手册：https://developer.aliyun.com/ebook/394
Java 8 帮助文档：https://docs.oracle.com/javase/8/docs/api/

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