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詳解Java數(shù)組擴(kuò)容縮容與拷貝的實(shí)現(xiàn)和原理

更新時(shí)間：2023年05月16日 09:32:31 作者：一一哥Sun

這篇文章主要帶大家學(xué)習(xí)數(shù)組的擴(kuò)容、縮容及拷貝，文中通過(guò)示例代碼介紹的非常詳細(xì)，對(duì)大家的學(xué)習(xí)或者工作具有一定的參考學(xué)習(xí)價(jià)值，需要的朋友們下面隨著小編來(lái)一起學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)吧

一. 數(shù)組內(nèi)存分析(重點(diǎn))

1. 簡(jiǎn)介

Java的內(nèi)存，可以分為棧、堆、方法區(qū)、本地方法區(qū)、程序寄存器等幾個(gè)核心部分。這一塊的內(nèi)容，以后會(huì)專門編寫(xiě)文章進(jìn)行介紹，對(duì)于初學(xué)者來(lái)說(shuō)，這還不適合我們學(xué)習(xí)。但是我們現(xiàn)在要先對(duì)以下三個(gè)概念有所了解：

棧： 棧中可以存儲(chǔ)基本類型的數(shù)據(jù)和引用類型的地址。特點(diǎn): 先進(jìn)后出，一般空間比較小，存取速度較快。

堆： 堆中可以存儲(chǔ)引用類型的數(shù)據(jù)。特點(diǎn): 空間比較大，存儲(chǔ)速度相對(duì)較慢。

方法區(qū)： 方法區(qū)中可以 存儲(chǔ)字符串常量池、靜態(tài)數(shù)據(jù)、代碼和類的元數(shù)據(jù)。

我們知道，數(shù)組屬于引用類型，而數(shù)組的引用變量(數(shù)組名稱)只是一個(gè)地址引用。 這個(gè)引用變量可以指向任何有效的內(nèi)存空間，只有當(dāng)這個(gè)引用指向有效的空間時(shí)，才可以通過(guò)引用去操作數(shù)組中真正的數(shù)據(jù)元素。所以數(shù)組的引用變量(數(shù)組名稱)是存儲(chǔ)在?？臻g中，但真正的數(shù)組數(shù)據(jù)是存儲(chǔ)在堆空間中。

2. 代碼案例

為了讓大家更好地理解數(shù)組的內(nèi)存結(jié)構(gòu)，接下來(lái)給大家設(shè)計(jì)一個(gè)代碼案例，然后給大家分析一下這個(gè)數(shù)組的內(nèi)存結(jié)構(gòu)。

/**
 * @author
 */
public class Demo01 {
    public static void main(String[] args) {
	//使用靜態(tài)初始化的方式初始化一個(gè)數(shù)組a
        //a存放在棧中，a的值是數(shù)組的地址，數(shù)組的真正數(shù)據(jù){5,7,20}存放在堆中
        int[] a = {5,7,20}; 
        System.out.println("a的長(zhǎng)度為:" + a.length);//3

        //整型變量，存放在棧中
        int num =8;
        System.out.println("num:"+num);

        //定義一個(gè)新的數(shù)組b
        int[] b=new int[4]; 
        System.out.println("b的長(zhǎng)度是:"+b.length);

        //將a賦值給b，是b的指向改變了，但b原先對(duì)應(yīng)的數(shù)組依然存在
        b=a; 
        System.out.println("b的長(zhǎng)度是:"+b.length);
    }
}

3. 內(nèi)存分析

為了讓各位更好地理解基本類型的數(shù)據(jù)和數(shù)組的內(nèi)存結(jié)構(gòu)，再給大家繪制下面一張圖。

根據(jù)上面的代碼和下面的內(nèi)存分析圖，我們可以得到如下結(jié)論：

變量a存放在棧中，a的值是數(shù)組的首地址，數(shù)組的真正數(shù)據(jù){5,7,20}存放在堆中；
整型變量num存放在棧中；
定義新的數(shù)組b，數(shù)組名稱b存放在棧中，b的數(shù)據(jù)在堆中；
將a賦值給b，此時(shí)b的指向改變了，但b原先對(duì)應(yīng)的數(shù)組依然存在，此時(shí)b指向原先a對(duì)應(yīng)的數(shù)組數(shù)據(jù)。

二. 數(shù)組擴(kuò)容與縮容

1. 擴(kuò)容簡(jiǎn)介

在前面給大家說(shuō)過(guò)，數(shù)組一旦創(chuàng)建初始化后，其長(zhǎng)度就不能被改變。但是有的小伙伴就說(shuō)了，”不對(duì)啊，我看別人的文章說(shuō)，可以往數(shù)組中增加很多新數(shù)據(jù)啊......“。那如果是這樣，假如我們一開(kāi)始定義一個(gè)長(zhǎng)度為5的數(shù)組，然后想把10個(gè)數(shù)據(jù)元素都插進(jìn)去，這能不能實(shí)現(xiàn)？

大家想一下，你能把10升水裝到5升的瓶子中嗎？肯定不行！如果你非要把10升水都裝到瓶子里，肯定需要換一個(gè)新的更大的瓶子！

所以今天跟大家說(shuō)的”數(shù)組擴(kuò)容“，其實(shí)并不是將這些多余的數(shù)據(jù)裝到原有的數(shù)組中，而是創(chuàng)建一個(gè)新的更大的數(shù)組，再把原有數(shù)組中的內(nèi)容都復(fù)制到新數(shù)組中來(lái)！

2. 擴(kuò)容與縮容流程(重點(diǎn))

在Java中，數(shù)組的”擴(kuò)容“和”縮容“，并不是真的改變?cè)袛?shù)組的大小，而是創(chuàng)建一個(gè)新的數(shù)組，然后再進(jìn)行操作，具體流程如下：

步驟1： 定義一個(gè)新數(shù)組，新數(shù)組的長(zhǎng)度要比原數(shù)組增加或者減??；
步驟2： 將原數(shù)組中的元素拷貝到新數(shù)組中；
步驟3：將原數(shù)組的名稱變量指向新數(shù)組。

3. 代碼實(shí)現(xiàn)

接下來(lái)就按照上面的流程，來(lái)帶大家實(shí)現(xiàn)一下數(shù)組的擴(kuò)容和縮容。

3.1 擴(kuò)容代碼

以下代碼是進(jìn)行數(shù)組擴(kuò)容的案例。

/**
 * @author
 */
public class Demo05 {
    public static void main(String[] args) {
	// 數(shù)組擴(kuò)容
	// 原數(shù)組
	int[] oldArr = { 1, 3, 46, 22, 11 };

	// 1.定義一個(gè)新數(shù)組，長(zhǎng)度比原數(shù)組的長(zhǎng)度多1，用于擴(kuò)容
	int[] newArr = new int[oldArr.length + 1];

	// 2.數(shù)組拷貝
	for (int i = 0; i < oldArr.length; i++) {
            //數(shù)組拷貝，將原來(lái)數(shù)組的元素拷貝到新數(shù)組中
            newArr[i] = oldArr[i];
	}

	// 3.將原數(shù)組的名稱變量指向新數(shù)組
	oldArr = newArr;
	System.out.println("數(shù)組長(zhǎng)度="+oldArr.length);
        
	//4.遍歷數(shù)組
	for (int i = 0; i < oldArr.length; i++) {
            //最后一個(gè)元素的值是默認(rèn)值0
            System.out.println(oldArr[i]);
	}
    }
}

這里我們使用newArr[i] = oldArr[i];這樣的語(yǔ)句，將舊數(shù)組中的元素拷貝到新數(shù)組中

3.2 縮容代碼

以下代碼是進(jìn)行數(shù)組縮容的案例，供大家參考：

/**
 * @author
 */
public class Demo06 {
    public static void main(String[] args) {
	// 數(shù)組縮容
	//定義一個(gè)原數(shù)組
	int[] oldArr = {1,3,46,22,11};
	//1.定義一個(gè)新數(shù)組，新數(shù)組的長(zhǎng)度比原數(shù)組長(zhǎng)度少1個(gè)
	int[] newArr = new int[oldArr.length-1];

	//2.進(jìn)行數(shù)組拷貝，將舊數(shù)組中的元素拷貝到新數(shù)組中
	for (int i = 0; i < newArr.length; i++) {
            newArr[i] = oldArr[i];
	}

	//3.將原數(shù)組的名稱變量指向新數(shù)組
	oldArr = newArr;
	for (int i = 0; i < newArr.length; i++) {
            System.out.println(oldArr[i]);
	}
    }
}

三. 數(shù)組拷貝

在給大家講解數(shù)組擴(kuò)容時(shí)，涉及到了數(shù)組中數(shù)據(jù)元素的拷貝復(fù)制。那么除了上面的拷貝方式之外，數(shù)組還有哪些拷貝方式呢？

1. 拷貝方式

在Java中，數(shù)組的拷貝主要有三種實(shí)現(xiàn)方式：

通過(guò)循環(huán)語(yǔ)句，將原數(shù)組中的各個(gè)元素拷貝到新數(shù)組中(即數(shù)組擴(kuò)容案例中使用的方法)；

System類提供的數(shù)組拷貝方法；

Arrays類提供的數(shù)組拷貝方法。

接下來(lái)就設(shè)計(jì)幾個(gè)案例，來(lái)給大家展示這幾種方式都是怎么進(jìn)行數(shù)組拷貝的。因?yàn)榈谝环N數(shù)組拷貝方式，我們已經(jīng)在數(shù)組擴(kuò)容的案例中給大家演示了，這里就不再重復(fù)展示相關(guān)代碼了。

2. System.arraycopy方法

2.1 簡(jiǎn)介

System.arraycopy()是Java提供的一個(gè)本地靜態(tài)方法，用于將數(shù)據(jù)元素從源數(shù)組復(fù)制到目標(biāo)數(shù)組。

public static native void arraycopy(Object src,int srcPos,Object dest,int destPos,int length);

arraycopy()方法有5個(gè)核心參數(shù)，其含義如下：

src: 源數(shù)組，即被復(fù)制的舊數(shù)組；
srcPos: 源數(shù)組中開(kāi)始復(fù)制的索引位置；
dest: 目標(biāo)數(shù)組，即要復(fù)制到的新數(shù)組；
destPos: 要復(fù)制到目標(biāo)數(shù)組中的索引位置；
length: 要復(fù)制的元素個(gè)數(shù)。

另外我們還要注意，arraycopy()方法在有些情況下有可能會(huì)發(fā)生如下異常：

NullPointerException: if source or destination array is null.NullPointerException ：如果源或目標(biāo)數(shù)組為null時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生NullPointerException異常。
ArrayStoreException: if the source and destination array type doesn’t match or they are not array.ArrayStoreException ：如果源和目標(biāo)數(shù)組類型不匹配或不是數(shù)組，會(huì)產(chǎn)生該異常；
ArrayIndexOutOfBoundsException: if the data overflow occurs because of index values or they are negative.ArrayIndexOutOfBoundsException ：如果由于索引值導(dǎo)致數(shù)據(jù)溢出，或它們?yōu)樨?fù)數(shù)時(shí)會(huì)產(chǎn)生該異常。

2.2 案例

我們先來(lái)看看下面這個(gè)數(shù)組拷貝的案例：

/**
 * @author
 */
public class Demo07 {
    public static void main(String[] args) {
	// 數(shù)組拷貝
	//1.源數(shù)組
	int[] srcArr = {1,3,46,22,11};

	//2.目標(biāo)數(shù)組
	int[] destArr = new int[srcArr.length + 5];
        /**
	* src:原數(shù)組
	* srcPos：原數(shù)組的起始拷貝位置
	* dest：目標(biāo)數(shù)組
	* destPos：目標(biāo)數(shù)組的起始拷貝位置
	* length：拷貝的長(zhǎng)度
	*/
	//3.調(diào)用arraycopy方法進(jìn)行復(fù)制
	System.arraycopy(srcArr, 1, destArr, 3, 4);

	//對(duì)新數(shù)組進(jìn)行遍歷
	for (int i = 0; i < destArr.length; i++) {
            System.out.print(destArr[i]+"\t");
	}
    }
}

3. Arrays.copyOf方法

3.1 簡(jiǎn)介

Arrays.copyOf()可以復(fù)制數(shù)組中指定范圍的元素。該方法會(huì)返回一個(gè)新的數(shù)組對(duì)象，且改變新數(shù)組中的元素值，不會(huì)影響原來(lái)的數(shù)組。我們還可以利用Arrays.toString方法將賦值后的數(shù)組輸出。

該方法支持的參數(shù)可以是long、float、double、int、boolean、byte、Object等類型的數(shù)組。

public static int[] copyOf(int[] original, int newLength);

copyOf()方法有2個(gè)核心參數(shù)，其含義如下：

original: 源數(shù)組，即被復(fù)制的舊數(shù)組；
newLength: 表示新數(shù)組的長(zhǎng)度。如果新數(shù)組的長(zhǎng)度超過(guò)源數(shù)組的長(zhǎng)度，會(huì)采用數(shù)組元素類型的默認(rèn)值。

3.2 案例

以下是Arrays.copyOf()方法的實(shí)現(xiàn)案例：

/**
 * @author
 */
public class Demo08 {
    public static void main(String[] args) {
	// 數(shù)組拷貝
	//1.源數(shù)組
	int[] srcArr = {1,3,46,22,11};
	/**
	* original：原數(shù)組
	* newLength：新數(shù)組的長(zhǎng)度
	* 返回值：返回新數(shù)組 
	*/
	//2.調(diào)用copyOf方法進(jìn)行數(shù)組拷貝
	int[] destArr = Arrays.copyOf(srcArr, srcArr.length+1);
		
	//3.遍歷新數(shù)組
	for (int i = 0; i < srcArr.length; i++) {
            System.out.print(destArr[i]+"\t");
	}
    }
}