Java 多维数组
介绍
在Java编程中，有时候我们需要表示更复杂的数据结构，比如矩阵、表格或者三维空间中的点。这时，一维数组就不足以满足我们的需求了。这就是多维数组登场的时刻。
多维数组本质上是"数组的数组"。在Java中，最常见的多维数组是二维数组，但也可以创建三维、四维甚至更高维度的数组。本文将重点介绍二维数组，同时也会简要提及更高维度的数组。
二维数组基础
什么是二维数组？
二维数组可以想象成一个表格或矩阵，有行和列。在Java中，二维数组是由多个一维数组组成的。
声明二维数组
在Java中有多种方式声明二维数组：
java
// 声明方式1
int[][] array2D;
// 声明方式2
int array2D[][];
// 声明方式3 (不推荐，但合法)
int[] array2D[];
推荐使用第一种方式，因为它最清晰地表达了这是一个二维整数数组。
创建二维数组
声明之后，我们需要初始化数组：
java
// 创建3行4列的二维数组
int[][] matrix = new int[3][4];
这会创建一个包含3行4列的二维数组，所有元素初始值为0（因为是int类型的默认值）。
初始化二维数组
你也可以在创建时直接初始化二维数组：
java
// 直接初始化二维数组
int[][] matrix = {
{1, 2, 3, 4},
{5, 6, 7, 8},
{9, 10, 11, 12}
};
访问二维数组元素
访问二维数组的元素需要使用两个索引，第一个指定行，第二个指定列：
java
int[][] matrix = {
{1, 2, 3},
{4, 5, 6},
{7, 8, 9}
};
// 访问第2行第3列的元素 (记住：索引从0开始)
int element = matrix[1][2]; // 值为6
完整示例
以下是一个完整的二维数组示例：
java
public class TwoDArrayExample {
public static void main(String[] args) {
// 创建一个2行3列的二维数组
int[][] arr = new int[2][3];
// 初始化数组
arr[0][0] = 1;
arr[0][1] = 2;
arr[0][2] = 3;
arr[1][0] = 4;
arr[1][1] = 5;
arr[1][2] = 6;
// 打印数组内容
System.out.println("二维数组内容:");
for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
for (int j = 0; j < arr[i].length; j++) {
System.out.print(arr[i][j] + " ");
}
System.out.println(); // 换行
}
}
}
输出：
二维数组内容:
1 2 3
4 5 6
Java 中的不规则数组
Java允许创建每行列数不同的二维数组，这种数组称为"不规则数组"或"锯齿状数组"。
java
public class JaggedArrayExample {
public static void main(String[] args) {
// 创建一个具有3行的数组，但每行的列数不同
int[][] jaggedArray = new int[3][];
// 为每行分配不同长度的数组
jaggedArray[0] = new int[3];
jaggedArray[1] = new int[5];
jaggedArray[2] = new int[2];
// 填充数组
int value = 1;
for (int i = 0; i < jaggedArray.length; i++) {
for (int j = 0; j < jaggedArray[i].length; j++) {
jaggedArray[i][j] = value++;
}
}
// 打印不规则数组
System.out.println("不规则数组内容:");
for (int i = 0; i < jaggedArray.length; i++) {
for (int j = 0; j < jaggedArray[i].length; j++) {
System.out.print(jaggedArray[i][j] + " ");
}
System.out.println();
}
}
}
输出：
不规则数组内容:
1 2 3
4 5 6 7 8
9 10
使用增强for循环遍历二维数组
Java 5引入的增强for循环可以更简洁地遍历二维数组：
java
public class EnhancedForLoopExample {
public static void main(String[] args) {
int[][] matrix = {
{1, 2, 3},
{4, 5, 6},
{7, 8, 9}
};
System.out.println("使用增强for循环遍历二维数组:");
for (int[] row : matrix) {
for (int element : row) {
System.out.print(element + " ");
}
System.out.println();
}
}
}
输出：
使用增强for循环遍历二维数组:
1 2 3
4 5 6
7 8 9
三维及更高维度的数组
Java也支持三维及更高维度的数组，但随着维度增加，代码复杂度也会相应提高。
三维数组示例
java
public class ThreeDArrayExample {
public static void main(String[] args) {
// 创建一个3x3x3的三维数组
int[][][] threeDArray = new int[3][3][3];
// 初始化部分元素
threeDArray[0][0][0] = 1;
threeDArray[1][1][1] = 5;
threeDArray[2][2][2] = 9;
// 打印特定元素
System.out.println("三维数组中的元素 [1][1][1]: " + threeDArray[1][1][1]);
// 遍历整个三维数组
System.out.println("三维数组内容:");
for (int i = 0; i < threeDArray.length; i++) {
for (int j = 0; j < threeDArray[i].length; j++) {
for (int k = 0; k < threeDArray[i][j].length; k++) {
System.out.print(threeDArray[i][j][k] + " ");
}
System.out.println();
}
System.out.println("----");
}
}
}
输出片段：
三维数组中的元素 [1][1][1]: 5
三维数组内容:
1 0 0
0 0 0
0 0 0
----
0 0 0
0 5 0
0 0 0
----
0 0 0
0 0 0
0 0 9
----
实际应用场景
多维数组在实际编程中有许多应用。以下是几个常见的例子：
1. 井字棋游戏
java
public class TicTacToe {
public static void main(String[] args) {
// 创建一个3x3的井字棋棋盘
char[][] board = new char[3][3];
// 初始化棋盘
for (int i = 0; i < board.length; i++) {
for (int j = 0; j < board[i].length; j++) {
board[i][j] = ' ';
}
}
// 放置一些棋子
board[0][0] = 'X';
board[1][1] = 'O';
board[2][2] = 'X';
// 显示棋盘
System.out.println("井字棋棋盘:");
for (int i = 0; i < board.length; i++) {
System.out.println(" " + board[i][0] + " | " + board[i][1] + " | " + board[i][2] + " ");
if (i < 2) {
System.out.println("---+---+---");
}
}
}
}
输出：
井字棋棋盘:
X | |
---+---+---
| O |
---+---+---
| | X
2. 图像处理
在图像处理中，二维数组常用于表示像素矩阵：
java
public class ImageProcessingExample {
public static void main(String[] args) {
// 模拟一个小的灰度图像 (0-255)
int[][] image = {
{120, 80, 200, 90},
{50, 150, 100, 60},
{30, 70, 110, 140}
};
// 对图像进行反转处理
for (int i = 0; i < image.length; i++) {
for (int j = 0; j < image[i].length; j++) {
image[i][j] = 255 - image[i][j]; // 反转灰度值
}
}
// 显示处理后的图像
System.out.println("处理后的图像像素值:");
for (int[] row : image) {
for (int pixel : row) {
System.out.printf("%3d ", pixel);
}
System.out.println();
}
}
}
输出：
处理后的图像像素值:
135 175 55 165
205 105 155 195
225 185 145 115
3. 矩阵运算
多维数组在矩阵运算中非常有用：
java
public class MatrixAddition {
public static void main(String[] args) {
int[][] matrixA = {
{1, 2, 3},
{4, 5, 6},
{7, 8, 9}
};
int[][] matrixB = {
{9, 8, 7},
{6, 5, 4},
{3, 2, 1}
};
// 矩阵相加
int[][] result = new int[3][3];
for (int i = 0; i < matrixA.length; i++) {
for (int j = 0; j < matrixA[i].length; j++) {
result[i][j] = matrixA[i][j] + matrixB[i][j];
}
}
// 显示结果
System.out.println("矩阵相加结果:");
for (int[] row : result) {
for (int val : row) {
System.out.print(val + " ");
}
System.out.println();
}
}
}
输出：
矩阵相加结果:
10 10 10
10 10 10
10 10 10
多维数组的性能考虑
警告
多维数组可能会占用大量内存，特别是当维度和大小增加时。在处理大型多维数组时，要注意内存使用情况。
例如，一个1000x1000的二维整数数组需要约4MB的内存（因为每个int占用4字节）。
如果你处理的是非常大的数据集，考虑使用更内存高效的数据结构或稀疏数组实现。
总结
在本文中，我们详细介绍了Java中的多维数组，包括：
- 二维数组的声明、创建和初始化
- 访问和遍历二维数组元素的方法
- 不规则（锯齿状）数组的使用
- 三维及更高维度数组
- 多维数组在实际应用中的例子
多维数组是Java编程中处理复杂数据结构的重要工具，掌握它们的使用方法对于解决许多实际问题至关重要。
练习
- 创建一个3x3的二维数组，并使用随机数（1-100）填充它。
- 编写一个程序，找出二维数组中的最大值和最小值。
- 实现两个3x3矩阵的乘法运算。
- 创建一个不规则数组，第一行有2个元素，第二行有3个元素，第三行有4个元素，并用递增的数字填充它。
- 编写一个程序，将一个二维数组顺时针旋转90度。
提示
记住，多维数组本质上是"数组的数组"。理解这一点将帮助你更好地使用和操作它们。
参考资源
- Oracle Java官方文档 - 数组
- 《Java核心技术》第1卷 - 数组章节
- 《数据结构与算法分析：Java语言描述》- 多维数据结构章节
掌握多维数组的使用将为你解决复杂问题提供强大的工具！