Java数组篇[10]：数组的常见应用场景

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  我是一名后端开发爱好者，工作日常接触到最多的就是Java语言啦，所以我都尽量抽业余时间把自己所学到所会的，通过文章的形式进行输出，希望以这种方式帮助到更多的初学者或者想入门的小伙伴们，同时也能对自己的技术进行沉淀，加以复盘，查缺补漏。

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前言

在Java编程语言中，数组是一种基本且广泛使用的数据结构。它允许存储一定数量的元素，这些元素通常是相同类型的。数组的应用遍布各个编程领域，从简单的数据存储到复杂的算法实现。本文将探讨Java数组的一些常见应用场景。

摘要

本文将概述Java数组在不同编程任务中的应用，并提供实际的使用案例。通过分析数组在不同场景下的优势和局限性，帮助读者更好地理解数组的实用性和适用性。

概述

数组在Java中的使用非常灵活，它们可以用于实现多种编程任务。以下是一些数组的常见应用场景：

1. 排序：对元素集合进行排序。
2. 搜索：在元素集合中搜索特定项。
3. 矩阵运算：执行数学上的矩阵操作。
4. 统计分析：收集和分析数据集的统计信息。
5. 算法实现：作为多种算法的数据结构基础。
6. 缓存和内存管理：用作缓存来提高数据访问速度。
7. 多维数据处理：处理具有多个属性的数据集。
8. 游戏开发：存储和管理游戏状态和数据。
9. 数据结构基础：作为其他复杂数据结构的构建模块。
10. 教学和学习：用于教学编程基础和数据结构概念。

源码解析

以下是一些Java数组使用的示例代码：

排序

int[] numbers = {3, 1, 4, 1, 5};
Arrays.sort(numbers);

搜索

int target = 4;
int index = Arrays.binarySearch(numbers, target);

矩阵转置

int[][] matrix = {
    {1, 2, 3},
    {4, 5, 6}
};
int[][] transposed = new int[matrix[0].length][matrix.length];
for (int i = 0; i < matrix.length; i++) {
    for (int j = 0; j < matrix[i].length; j++) {
        transposed[j][i] = matrix[i][j];
    }
}

使用案例分享

考虑一个场景，我们需要对用户输入的成绩进行排序和计算平均分：

Scanner scanner = new Scanner(System.in);
int[] scores = new int[5];
for (int i = 0; i < scores.length; i++) {
    scores[i] = scanner.nextInt();
}
Arrays.sort(scores);
double average = Arrays.stream(scores).average().orElse(Double.NaN);

  针对如上示例代码，这里我给大家详细的代码剖析下，以便于帮助大家理解的更为透彻，帮助大家早日掌握。

这段Java代码演示了如何使用数组来收集用户输入的成绩，对这些成绩进行排序，并计算平均值。以下是对代码的逐行解释：

1. Scanner scanner = new Scanner(System.in);：创建一个Scanner对象，用于从标准输入（通常是键盘）读取数据。
2. int[] scores = new int[5];：声明并初始化了一个长度为5的整型数组scores，用于存储用户的成绩。
3. for (int i = 0; i < scores.length; i++) { scoresi = scanner.nextInt(); } - 这是一个for循环，用于连续读取5个整数输入，这些整数是用户的成绩，并将它们存储在scores数组中。
4. Arrays.sort(scores);：使用Arrays类的sort方法对scores数组中的元素进行升序排序。
5. double average = Arrays.stream(scores).average().orElse(Double.NaN);
   • 这行代码使用了Java 8引入的流（Stream）API来计算数组scores的平均值。
   • Arrays.stream(scores)将数组转换为流。
   • average()是流的一个终止操作，它返回一个OptionalDouble，包含计算出的平均值。
   • orElse(Double.NaN)是OptionalDouble的方法，如果OptionalDouble为空（意味着数组为空或所有成绩都是0），则返回Double.NaN。

当这段代码执行时，程序将首先提示用户输入5个成绩。用户输入完毕后，程序会输出这些成绩排序后的结果，并计算这些成绩的平均值。

示例输出可能如下所示：

原始成绩: [70, 85, 90, 60, 75]
排序后的成绩: [60, 70, 75, 85, 90]
平均成绩: 77.0

请注意，这段代码没有包含用户输入提示和输出成绩的代码。在实际应用中，你可能需要添加额外的代码来提供更好的用户体验，例如打印出每个输入的成绩，并在计算平均值之前和之后提供清晰的输出。

此外，这段代码没有包含关闭Scanner对象的语句。在实际应用中，当不再需要从标准输入读取数据时，应该调用scanner.close()来关闭Scanner，释放与之关联的资源。同时，这段代码没有错误处理机制，比如检查用户输入是否确实是整数。在实际应用中，应该添加适当的异常处理来提高程序的健壮性。

应用场景案例

• 排序算法教学：使用数组来展示冒泡排序、选择排序等算法。
• 搜索引擎索引：使用数组作为倒排索引的一部分，快速检索关键词。
• 股票市场分析：使用数组存储股票价格，分析市场趋势。

优缺点分析

• 优点：
  • 简单易懂，易于实现。
  • 内存连续，访问速度快。
  • 适用性广，可用作多种数据结构的基础。
• 缺点：
  • 长度固定，不够灵活。
  • 多维数组操作相对复杂。
  • 可能存在内存浪费的情况。

核心类方法介绍

• Arrays.sort()：对数组进行排序。
• Arrays.binarySearch()：在已排序的数组中进行二分查找。
• Arrays.copyOfRange()：复制数组的一部分。

测试用例

以下是使用main函数的一个测试用例，演示了数组排序和搜索：

测试代码

/**
 * @Author ms
 * @Date 2024-07-31 11:26
 */
public class Test10 {
    public static void main(String[] args) {
        int[] data = {10, 20, 5, 1};
        System.out.println("原始数组: " + Arrays.toString(data));
        Arrays.sort(data);
        System.out.println("排序后的数组: " + Arrays.toString(data));
        int searchResult = Arrays.binarySearch(data, 20);
        System.out.println("元素 20 的索引: " + searchResult);
    }
}

测试代码执行结果

  根据如上测试用例，我本地演示结果展示如下，仅供参考哈，你们也可以自行修改测试用例或者添加更多的测试数据或测试方法，进行熟练学习以此加深理解。

代码分析

  针对如上示例代码，这里我给大家详细的代码剖析下，以便于帮助大家理解的更为透彻，帮助大家早日掌握。

这段Java代码是一个完整的程序，演示了如何使用Java标准库中的Arrays类对数组进行排序和二分查找操作。以下是对代码的逐行解释：

/**
 * @Author ms
 * @Date 2024-07-31 11:26
 */

• 以多行注释形式提供了作者信息和日期。

public class Test10 {

• 定义了一个名为Test10的公共类。

    public static void main(String[] args) {

• 这是程序的入口点，main方法，它接受一个字符串数组args作为参数。

        int[] data = {10, 20, 5, 1};

• 声明并初始化了一个整型数组data，包含四个元素。

        System.out.println("原始数组: " + Arrays.toString(data));

• 打印出原始数组的内容。

        Arrays.sort(data);

• 使用Arrays类的sort方法对数组data进行排序。

        System.out.println("排序后的数组: " + Arrays.toString(data));

• 打印出排序后的数组内容。

        int searchResult = Arrays.binarySearch(data, 20);

• 使用Arrays类的binarySearch方法在已排序的数组data中查找元素20的位置。

        System.out.println("元素 20 的索引: " + searchResult);

• 打印出元素20在数组中的索引。如果元素不存在，binarySearch方法将返回一个负数。

当这段代码执行时，它将首先打印出原始数组，然后是排序后的数组，最后是元素20的索引位置。输出结果将类似于：

原始数组: [10, 20, 5, 1]
排序后的数组: [1, 5, 10, 20]
元素 20 的索引: 3

这段代码展示了Java中数组排序和查找的基本操作，这些操作在处理数据集合时非常有用。Arrays.sort()方法对数组进行原地排序，而Arrays.binarySearch()方法则利用已排序数组的特点，通过二分查找算法高效地定位元素。如果数组未排序或元素不存在于数组中，binarySearch将返回一个负数，表示元素应该插入的位置以维持排序。在本例中，由于数组已经排序，binarySearch能够直接返回元素20的正确索引，即3。

小结

数组在Java中的使用非常广泛，它们在不同的应用场景下都发挥着重要的作用。从基本的排序和搜索到复杂的算法实现，数组作为一种基础数据结构，其重要性不言而喻。

总结

本文详细介绍了Java数组的常见应用场景，并通过实际代码示例进行了展示。数组以其简单性和高效性，在编程中扮演着不可或缺的角色。虽然它们有局限性，但在适当的场景下使用可以极大地提高程序的性能和可读性。希望读者能够通过本文加深对Java数组应用的理解，并在实际编程中灵活运用。

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文末

好啦，以上就是我这期的全部内容，如果有任何疑问，欢迎下方留言哦，咱们下期见。

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学习不分先后，知识不分多少；事无巨细，当以虚心求教；三人行，必有我师焉！！！

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