Java学习之旅基础知识篇：数组及引用类型内存分配

在上一篇中，我们已经了解了数组，它是一种引用类型，本篇将详细介绍数组的内存分配等知识点。数组用来存储同一种数据类型的数据，一旦初始化完成，即所占的空间就已固定下来，即使某个元素被清空，但其所在空间仍然保留，因此数组长度将不能被改变。当仅定义一个数组变量(int[] numbers)时，该变量还未指向任何有效的内存，因此不能指定数组的长度，只有对数组进行初始化(为数组元素分配内存空间)后才可以使用。数组初始化分为静态初始化(在定义时就指定数组元素的值，此时不能指定数组长度)和动态初始化(只指定数组长度，由系统分配初始值)。

//静态初始化
int[] numbers = new int[] { 3, 5, 12, 8, 7 };
String[] names = { "Miracle", "Miracle He" };//使用静态初始化的简化形式

//动态初始化
int[] numbers = new int[5];
String[] names = new String[2];

建议不要混用静态初始化和动态初始化，即不要既指定数组的长度的同时又指定每个元素的值。当初始化完毕后，就可以按索引位置(0~array.length-1)来访问数组元素了。当使用动态初始化时，如在对应的索引位未指定值的话，系统将指定相应数据类型对应的默认值(整数为0，浮点数为0.0，字符为'\u0000'，布尔类型为false，引用类型为null)。

public class TestArray {
    public static void main(String[] args) {
        String[] names = new String[3];
        names[0] = "Miracle";
        names[1] = "Miracle He";
        //以下代码将输出Miracle Miracle He null
        /*
        for(int i = 0; i < names.length;i++) {
            System.out.print(names[i] + " ");
        }
        */
        //还可以使用foreach来遍历
        for(String name : names) {
            System.out.print(name + " ");
        }
    }
}

请注意：java中是没有foreach这个关键字的，其语法是for(type item : items)来表示，但foreach只能用于遍历元素的值而不能改变，必须使用for才能实现。

public class TestForEach {
    public static void main(String[] args) {
        int[] numbers = { 3, 5, 12, 8, 7 };
        for(int number : numbers) {
            int num = number * 10;
            System.out.print(num + ",");
        }
        System.out.println("");
        //numbers仍然未发生变化(如果换成for将改变)
        for(int i = 0;i < numbers.length;i++) {
            System.out.print(numbers[i] + ",");
        }
    }
}

以上简单的介绍了数组的初始化和应用，接下来讲详细介绍数组(数组引用和数组元素)在内存中的存放形式。首先给出结论：数组引用变量是存放在栈内存(stack)中，数组元素是存放在堆内存(heap)中，通过栈内存中的指针指向对应元素的在堆内存中的位置来实现访问，以下图来说明数组此时的存放形式。

那什么是栈内存和堆内存呢？我举例作一一解释。当执行方法时，该方法都会建立自身的内存栈，以用来将该方法内部定义的变量逐个加入到内存栈中，当执行结束时方法的内存栈也随之销毁，我们说所有变量存放在栈内存中，即随着寄存主体的消亡而消亡；反之，当我们创建一个对象时，这个对象被保存到运行时数据区中，以便反复利用(因为创建成本很高)，此时不会随着执行方法的结束而消亡，同时该对象还可被其他对象所引用，只有当这个对象没有被任何引用变量引用时，才会在垃圾回收在合适的时间点回收，我们说此时变量所指向的运行时数据区存在堆内存中。

只有类型兼容(即属于同一数据类型体系且遵守优先级由低到高原则)，才能将数组引用传递给另一数组引用，但仍然不能改变数组长度(仅仅只是调整数组引用指针的指向)。

public class TestArrayLength {
    public static void main(String[] args) {
        int[] numbers = { 3, 5, 12 };
        int[] digits = new int[4];
        System.out.println("digits数组长度：" + digits.length);//4
        for(int number : numbers) {
            System.out.print(number + ",");//3,5,12,
        }
        System.out.println("");
        for(int digit : digits) {
            System.out.print(digit + ",");//0,0,0,0,
        }
        System.out.println("");
        digits = numbers;
        System.out.println("digits数组长度：" + digits.length);//3
    }
}

虽然看似digits的数组长度看似由4变成3，其实只是numbers和digits指向同一个数组而已，而digits本身失去引用而变成垃圾，等待垃圾回收来回收(但其长度仍然为4)，但其内部运行机制如下图所示。

因此当我们看一个数组时(或者其他引用变量)，通常看成两部分：数组引用变量和数组元素本身，而数据元素是存放在堆内存中，只能通过数组引用变量来访问。

从上述的示例中看出数组中存放的是基本类型，其实数组中还可以存放引用类型的。而存放基本类型的内存分布已经解释了，而存放引用类型的内存分布则相对复杂了。来看一段非常简单的程序。

public class TestPrimitiveArray {
    public static void main(String[] args) {
        //1.定义数组
        int[] numbers;
        //2.分配内存空间
        numbers = new int[4];
        //3.为数组元素指定值
        for(int i = 0;i < numbers.length;i++) {
            numbers[i] = i * 10;
        }
    }
}

按以上步骤的内存分布示意图：

从图中可看出数组元素直接存放在堆内存中，当操作数组元素时，实际上是操作基本类型的变量。接下来再看一段程序：

class Person {
    public int age;
    public String name;
    public void display() {
        System.out.println(name + "的年龄是: " + age);
    }
}
public class TestReferenceArray {
    public static void main(String[] args) {
        //1.定义数组
        Person[] persons;
        //2.分配内存空间
        persons = new Person[2];
        //3.为数组元素指定值
        Person p1 = new Person();
        p1.age = 28;
        p1.name = "Miracle";
        Person p2 = new Person();
        p2.age = 30;
        p2.name = "Miracle He";
        persons[0] = p1;
        persons[1] = p2;
        //输出元素的值
        for(Person p : persons) {
            p.display();
        }
    }
}

对于数组元素为引用类型在内存中的存储与基本类型不一样，此时数组元素仍然存放引用，指向另一块内存，在其中存放有效的数据。

谈到这里，不知是否有朋友要问：Java的多维数组是什么样的？我的回答是：可以有。为什么呢？从底层来看，数组元素可以存放引用类型，包含数组。也就是说在数组元素的内部还可以包含数组(如int[][] numbers = new int[length][])，也即二维数组可当作一维数组(数组长度为length)来处理，也可以同时指定多个维度的长度(如int[][] matrix = new int[length][width])，不过必须至少指定最左端的数组长度length。由此我们得出结论: 任何多维数组(维度为n，n>1)都当作一维数组，其数组元素为n-1维数组。

public class TestMultiArray {
    public static void main(String[] args) {
        //1.定义二维数组
        int[][] numbers;
        //2.分配内存空间
        numbers = new int[3][];
        //可以把numbers看作一维数组来处理
        for(int i = 0;i < numbers.length;i++) {
            System.out.print(numbers[i] + ",");//null,null,null
        }
        System.out.println("");
        //3.为数组元素指定值
        numbers[0] = new int[2];
        numbers[0][1] = 1;
        for(int i = 0;i < numbers[0].length;i++) {
            System.out.print(numbers[0][i] + ",");//0,1
        }
    }
}

最后，简单介绍一下Arrays(位于java.util下)的静态方法：binarySearch、copyOf、copyOfRange、equals、fill、sort、toString等方法(具体用法参见JDK)。

import java.util.Arrays;
public class TestArrays {
    public static void main(String[] args) {
        int[] a = {3, 4, 5, 6};
        int[] b = {3, 4, 5, 6};
        System.out.println("a和b是否相等：" + Arrays.equals(a, b));//true
        System.out.println("5在a中的位置：" + Arrays.binarySearch(a, 5));//2
        int[] c = Arrays.copyOf(a, 6);
        System.out.println("a和c是否相等：" + Arrays.equals(a, c));//false
        System.out.println("c的元素：" + Arrays.toString(c));//3,4,5,6,0,0
        Arrays.fill(c, 2, 4, 1);//将c中第3个到第5个元素(不包含)赋值为1
        System.out.println("c的元素：" + Arrays.toString(c));//3,4,1,1,0,0
        Arrays.sort(c);
        System.out.println("c的元素：" + Arrays.toString(c));//0,0,1,1,3,4
    }
}

接下来，给出两个数组实际应用场景的示例。

import java.util.Arrays;
public class NumberToRMB {
    private String[] numbers = { "零", "壹", "贰", "叁", "肆", "伍", "陆", "柒", "捌", "玖" };
    private String[] units = { "拾", "佰","仟" };
    /**
    * 把一个浮点数分成整数部分和小数部分
    * @param number 要进行分割的浮点数
    * @return 由整数部分和小数部分组成的字符串数组
    */
    private String[] divide(double number) {
        long zheng = (long)number;
        long xiao = Math.round((number - zheng) * 100);
        return new String[] { zheng + "", String.valueOf(xiao) };
    }
    /**
    * 把一个四位数字字符串转化四位人民币大写字符串
    * @param str 要转化的四位数字字符串
    * @return 四位人民币大写字符串
    */
    private String toRMBString(String str) {
        String money = "";
        for(int i = 0, len = str.length(); i < len; i++) {
            int num = str.charAt(i) - 48;
            if(i != len - 1 && num != 0) {
                money += numbers[num] + units[len - 2 - i];
            } else {
                money += numbers[num];
            }
        }
        return money;
    }
    public static void main(String[] args) {
        NumberToRMB rmb = new NumberToRMB();
        System.out.println(Arrays.toString(rmb.divide(2346.789)));
        System.out.println(rmb.toRMBString("2346"));
    }
}

import java.io.*;
public class WZQ {
    //定义一个二维数组当作棋盘
    private String[][] board;
    //定义棋盘大小
    private static int BOARD_SIZE = 15;
    //初始化棋盘
    private void initBoard() {
        board = new String[BOARD_SIZE][BOARD_SIZE];
        for(int i = 0; i < BOARD_SIZE; i++) {
            for(int j = 0; j < BOARD_SIZE; j++) {
                board[i][j] = "＋";
            }
        }
    }
    //打印棋盘
    private void printBoard() {
        for(int i = 0; i < BOARD_SIZE; i++) {
            for(int j = 0; j < BOARD_SIZE; j++) {
                System.out.print(board[i][j]);
            }
            System.out.println("");
        }
    }
    //开始下棋
    public void play() throws Exception {
        initBoard();
        printBoard();
        //获取键盘输入
        BufferedReader br = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in));
        String input = null;
        do {
            if(input != null) {
                String[] pos = input.split(",");
                int x = Integer.parseInt(pos[0]);
                int y = Integer.parseInt(pos[1]);
                board[x - 1][y - 1] = "●";
                printBoard();
            }
            System.out.print("请输入你下棋的坐标(以x,y的形式)：");
        } while((input = br.readLine()) != null);
    }
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        WZQ wzq = new WZQ();
        wzq.play();
    }
}

数字转化为人民币大写程序中，利用了一维数组表示大写及单位；五子棋游戏中，利用了二维数组表示棋盘。从程序中可看到throws Exception表示不处理任何异常，将在后续的篇章中继续讲解。