Как сделать срез массива java
[Перевод] Массивы, срезы (и строки): Механизм ‘вставки’
Вступление
В этой публикации мы постараемся развеять все эти недоразумения. Добьемся мы этого по кусочкам объясняя как работает функция append, и почему она работает именно так и никак иначе.
Массивы
Массивы это важный кусочек языка Go, но, как и фундамент здания, он спрятан под более видимыми частями. Мы должны ввести вас в курс дела, прежде чем перейти к более интересным, мощным и заметным особенностям срезов.
Массивы не часто встретишь в программах на Go, потому что в тип массива входит его размер, что ограничивает возможности использование.
создает переменную buffer, которая содержит 256 байт. Тип переменной buffer включает в себя размер и выглядит так: [256]byte. Массив из 512 байт будет иметь тип [512]byte.
Данные связанные с массивом это просто массив элементов. Схематически, наш буфер в памяти будет иметь примерно следующий вид:
То есть, переменная содержит 256 байт данных и ничего более. Мы можем получить доступ к элементам с помощью привычного синтаксиса индексации buffer[0], buffer[1], и так до buffer[255] (индекс от 0 до 255 охватывает 256 элементов). Попытка выйти за пределы этого диапазона приведет к аварийной остановке программы.
Существует встроенная функция len, которая возвращает количество элементов массива, среза и некоторых других типов. Очевидно, что именно вернет len для массива. В нашем случае len(buffer) вернет значение 256.
Для массивов можно найти свое место применения. Например они хороши, для преобразования матриц, но наиболее частое их применение в Go это хранение срезов.
Срезы: Заголовок среза
Срезы там, где происходит что-то интересное, но перед тем как приступить к их использованию, потребуется понять их надобность и то, что-же они делают.
Срез это структура данных описывающая множественное разделение массива и хранящееся отдельно от переменной. Срез это не массив. Срез описывает часть массива.
Если мы возьмем массив buffer из предыдущего раздела, то мы можем создать срез, который будет описывать элементы от 100 до 150 (если быть точным, то от 100 до 149 включительно) путем нарезания массива:
В этом куске кода, чтобы быть точными, мы использовали полное объявление переменной. Переменная slice имеет тип []byte, читается как «срез байтов» (slice of bytes) и создана из массива buffer, путем нарезания начиная с элемента 100 (включительно) до 150 (исключительно). В более «каноническом» синтаксисе, мы бы опустили тип, который будет определен в процессе инициализации:
А внутри функции мы бы использовали короткую форму объявления:
Что же из себя представляет срез? Это не полное описание, но с этого момента думайте о срезе как о небольшой структуре, состоящей из двух элементов: длины и указателя на элемент массива. Считайте что «за кулисами» это выглядит примерно так:
Конечно, это лишь иллюстрация. Несмотря на это, из этого примера можно понять то, что структура sliceHeader недоступна программисту, а тип указателя зависит от типа элементов, однако он дает возможность понять основную идею механики работы срезов.
До сих пор мы использовали операцию нарезания массива, однако мы можем нарезать и срез:
Точно так-же как и прежде, эта операция создает новый срез, но в этом случае из элементов с 5 до 9 (включительно) относительно оригинального среза, что означает элементы с 105 по 109 оригинального массива. Базовая структура sliceHeader для переменной slice2 будет выглядеть так:
Обратите внимание, что заголовок до сих пор указывает на базовый массив, находящийся в переменной buffer.
Мы так-же можем перенарезать, что означает нарезать срез и сохранить результат в структуре нарезаемого среза. Т.е. после:
структура sliceHeader для переменной slice будет выглядеть так-же как и для переменной slice2. Вы будете часто видеть перенарезку, например для сокращения среза. В этом примере будет опущен первый и последний элемент нашего среза:
Вы можете часто слышать от опытных Go программистов о «заголовке среза», т.к. это и есть то, что хранится в переменной среза. Например, когда вы вызываете функцию которая берет срез как аргумент, такая как bytes.IndexRune, то в функцию будет передана заголовок. В этом примере:
аргумент slice будет передан в функцию IndexRune и, по факту, это лишь «заголовок среза».
Есть еще один элемент данных в «заголовке среза» о котором мы поговорим ниже, но сначала давайте взглянем на то, что значит «заголовок среза», когда вы пишете программу использующую срезы.
Передача срезов в функции
Очень важно понять то, что даже если срез содержит указатель, сам по себе он является значением. Под капотом, это структура содержащая указатель и длину. Это не указатель на структуру.
Когда мы вызываем IndexRune в предыдущем примере, она принимает копию «верхушки заголовка». Такое поведение имеет важное последствие.
Рассмотрим простую функцию:
Она делает именно то, что написано в названии, т.е. обходит все элементы среза (используя цикл for range), увеличивая его элементы.
Несмотря на то что «заголовок среза» передается в функцию, она включает указатель на элементы массива, поэтому оригинальная заголовок среза и его копия описывают один и тот-же массив. Как следствие, когда функция завершается, измененные элементы можно увидеть через исходный срез.
Аргумент функции на самом деле копия, и данный пример это показывает:
Здесь мы видим что содержимое аргумента может быть изменено через функцию, но не его заголовок. Длина сохранена в переменной slice и не изменяется в результате вызова функции, т. к. в функцию передается копия заголовка среза, а не исходный. Таким образом, если мы хотим написать функцию которая изменяет заголовок, мы должны вернуть его, как мы это сделали в примере. Переменная slice не изменяется, но возвращаемое значение имеет новую длину, которая сохранена в newSlice.
Указатели на срезы: Методы получения
Существует и другой путь написания функции которая изменяет заголовок среза, и это передача в функцию указатель на срез. Вот вариация нашего примера, для демонстрации данной возможности:
Пример может показаться немного неуклюжим, учитывая дополнительный уровень абстракции (временная переменная), но есть один случай, где вы будете применять указатели на срезы. Принято использование указателя в качестве приемника при написании метода, который изменяет срез.
Скажем, мы захотели метод который ликвидирует последний слэш. Мы можем написать его примерно так:
Если вы запустите пример, то вы увидите, что произойдет то, что требовалось, т. е. метод изменит срез.
С другой стороны, если мы захотим написать метод для path, который устанавливает верхний регистр ASCII символов (с не Английские буквами поведение не определено), то метод может оперировать значением, а не указателем, потому что значение приемника все еще указывает на нужный нам массив.
Здесь метод ToUpper использует две переменных в for range для того, чтобы использовать индекс элемента и, непосредственно, сам элемент среза. Это позволит избежать повторной записи в p[i].
Ёмкость
Рассмотрим следующую функцию, которая увеличивает срез ints на один элемент:
Посмотрим как срез растет до тех пор пока… он не растет.
Пришло время поговорить о третьем компоненте заголовка среза: его ёмкости. Помимо указателя на массив и его длины, заголовок срез содержит его ёмкость:
Поле Capacity содержит запись о том, сколько места занимает массив на самом деле – это максимальное значение, которое может достигнуть Length. Попытка увеличения среза выше его ёмкости приведет к выходу за пределы массива и вызовет экстренное завершение программы.
В этом примере создается срез
и его заголовок выглядит как:
Поле Capacity эквивалентно длине оригинального массива минус индекс элемента массива, который является первым элементом среза (в данном случае ноль). Если вы хотите узнать ёмкость среза, то используйте функцию cap:
Что если мы захотим увеличить срез больше чем его ёмкость? Мы не можем! По определению ёмкость это предел роста. Но вы можете получить тот-же результат путем создания нового массива, копирования данных и изменения среза описывающего новый массив.
Давайте начнем с выделения. Мы можем использовать функцию new для выделения большего массива и в результате большего среза, но будет проще использовать функцию make. Она выделяет новый массив и создает заголовок среза. Функция make имеет три аргумента: тип среза, начальная длина и его ёмкость, где длина массива это то, что make выделяет для данных среза. В результате этот вызов функции создает срез длиной 10 и возможностью расширения на 5 (15-10), что вы можете увидеть запустив это:
Этот фрагмент удваивает ёмкость нашего int среза, но оставляет такую-же длину:
После этого срез имеет гораздо больше места для роста перед тем, как ему потребуется еще одно перераспределение.
При создании срезов часто бывает что длина и ёмкость это одно и тоже. Функция make имеет сокращенный вариант. Длина по умолчанию становится ёмкостью, поэтому вы можете указать их в одном значении. После
у среза gophers длина и ёмкость будет равна 10.
Копирование
После того как мы удвоили ёмкость нашего среза в предыдущем разделе, мы переписали цикл для копирования старых данных в новый срез. В Go есть встроенная функция copy, которая упрощает эту задачу. Её аргументы это два среза и она копирует данные из правого в левый срез. Вот наш пример переписанный на использование copy:
Функция copy умная. Она копирует только то, что может, обращая внимание на длину обоих аргументов. Другими словами, количество элементов, которые будут скопированы, равно минимальной из длин обоих срезов. Это может сэкономить немного «бюрократии». Кроме того, copy возвращает целочисленное значение – количество элементов, которые были скопированы, хотя это не всегда стоит проверки.
Функция copy так-же учитывает случаи, когда источник и приемник пересекаются (прим. пер. это как memmove() в C), это означает что функция может быть использована для перемещения элементов внутри одного среза. Ниже пример того, как с помощью функции copy вставить значение в середину среза.
Есть несколько моментов, которые вы можете заметить в этой функции. Во первых, что очевидно, она должна вернуть срез, потому что его длина изменилась. Во вторых, используется удобное сокращение. Выражение
означает тоже самое, что и
Кроме того, мы не использовали еще один трюк, мы так-же можем оставить первый элемент выражения пустым; по умолчанию это будет ноль. Таким образом
Означает просто срез самого себя, что полезно при нарезании массива. Это выражение самый короткий пусть сказать: «срез, описывающий все элементы массива»:
Но это было между делом, давайте испытаем нашу функцию Insert.
Вставка: Пример
Несколько разделов назад, мы написали функцию Extend, которая расширяла срез на один элемент. Она была неправильной, хотя бы по той причине, что в случае, когда ёмкость среза была слишком маленькой, функция могла завершиться с ошибкой (в нашем примере функция Insert подвержена такой-же проблеме). Теперь мы знаем как это исправить, поэтому давайте напишем надежную реализацию функции Extend для целочисленных срезов.
В данном случае особенно важно вернуть срез, т. к. когда мы перераспределили его, срез который у нас получился описывает совершенно другой массив. Вот небольшой кусочек для демонстрации что произойдет, если срез заполнится:
Обратите внимание на перераспределение, когда первоначальный массив размера 5 заполняется. Ёмкость и адрес нулевого элемента изменяются, когда выделяется новый массив.
Используя надежную функцию Extend в качестве основы, мы можем написать еще более лучшую функцию, которая позволит нам расширить срез несколькими элементами. Для этого воспользуемся возможностью Go по обращению списка аргументов в массив. То есть, мы используем возможность Go использовать переменное количество аргументов функции.
Давайте назовем функцию Append. Для первой версии, мы можем просто вызывать Extend до тех пор, пока не закончатся аргументы функции. Прототип функции Append выглядит так:
Это говорит нам о том, что Append берет один аргумент – срез, а за ним следует от нуля до бесконечности аргументов типа int. Эти элементы будущие кусочки срез, как вы можете увидеть:
Заметьте что цикл for range выполняется для каждого элемента аргумента items, который имеет тип []int. Так-же заметьте использование пустого идентификатора _, который отбрасывает индекс, т. к. в цикле он нам не нужен.
Другой новый прием в этом примере это то, что инициализация срез производится составным литералом, который состоит из типа и элементов среза, заключенных в фигурные скобки:
Функция Append так-же интересна по другой причине. Мы можем не просто добавлять элементы, мы можем передавить в качестве аргументов функции целые срезы используя …:
Конечно, мы можем сделать Append более эффективной, путем единичного выделения, опираясь на Extend:
Обратите внимание, что здесь мы дважды используем copy, чтобы переместить срез данных в новый участок памяти и затем скопировать добавленные элементы в конец старых данных.
Попробуйте, поведение такое-же, как и прежде:
Append: Встроенная функция
Итак, мы пришли к выводу, что в Go нужно добавить встроенную функцию append. Она делает то-же самое, что и наша функция Append из примера, с одинаковой эффективностью, но работает для любого типа срезов.
Слабость Go заключается в том, что любая операция определенная на «общем-типе» должна быть предоставлена во время выполнения. Когда-нибудь это может измениться, но сейчас, дабы упростить работу со срезами, Go предоставляет встроенную общую функцию append. Она работает так-же как и наша целочисленная версия, но для любого типа среза.
Помните что поскольку заголовок среза обновляется каждый раз при вызове append, вам необходимо сохранить полученный срез после вызова. На самом деле, компилятор не позволит вам вызвать append без сохранения результата.
Вот некоторые однострочечники с выводом. Попробуйте их, изменяйте и исследуйте:
Стоит остановится и подумать о последних строчках примера и понять как дизайн срезов позволяет делать такие простые вызовы правильными.
Существует множество примеров в вики (созданной сообществом) «Slice Tricks», использующих append, copy и других путей использования срезов.
Кроме того, используя новоприобретенные знания мы можем понять что из себя представляет «нулевой» (nil) срез. Естественно, это нулевое значение заголовок среза:
Ключевым является то, что указатель тоже равен nil. Данный срез
имеет нулевую длину (и может даже нулевую ёмкость), но его указатель не nil, поэтому это все еще не нулевой срез.
Очевидно, что пустой срез может расти (предполагая что он не нулевой ёмкости), но «нулевой» (nil) срез не содержит массива, куда можно положить значения и не может вырасти, даже для того, чтобы содержать хоть один элемент.
Стоит отметить, что «нулевой» (nil) срез, по сути дела, эквивалентен срезу нулевой длины, даже если он ни на что не указывает. Он имеет нулевую длину и в него можно что-нибудь добавить с выделением. В качестве примера, посмотрите на несколько строчек выше, где копируется срез, добавляя «нулевой» (nil) срез.
Строки
Теперь кратко о строках в Go в контексте срезов.
На самом деле, строки очень просты: это срезы байт только для чтения, с небольшой дополнительной синтаксической поддержкой со стороны языка.
Так как они только для чтения, у них нет ёмкости (вы не можете увеличить их), однако в большинстве случаев вы можете обращаться с ними как срезами байт.
Для начала, мы можем использовать индексацию, для доступа к отдельным байтам:
Мы можем нарезать строку для создания подстроки:
Должно быть очевидным то, что происходит за занавесом, когда мы нарезаем строку.
Так-же мы можем взять обычный срез байт и создать из него строку, путем простого преобразования:
а так-же из строки сделать срез байт:
Массив лежащий в основе строк скрыт от глаз, нет никакого способа получить к нему доступ, кроме как через строку. Это значит, что когда мы делаем эти преобразования должна быть создана копия массива. Go берет на себя эту работу, так-что не волнуйтесь об этом. После любого подобного преобразования, изменение массива лежащего в основе среза байт не влияет на соответствующую строку.
Важным следствием похожего поведения строк как срезов заключается в том, что создание подстроки происходит очень эффективно. Все что требуется, это создание двух верхушек строк. Так как строка только для чтения, то исходная строка и строка полученная в результате нарезки могут безопасно разделять один и тот-же массив.
Историческая справка: Ранние реализации строк всегда отдельно выделялись, но с тех пор в языке появились срезы, которые предоставили возможность создания более эффективной работы со строками. Некоторые бенчмарки стали показывать огромный прирост скорости.
Конечно, есть много еще того что стоит рассказать о строках, но эта тема для другой публикации.
Заключение
Понимание принципов работы срезов, помогает понять как они сделаны. Есть небольшая структура данных, заголовок среза, связанная с переменной типа срез и эта заголовок описывает часть отдельно выделенного массива. Когда мы создаем срез, то заголовок копируется, но массив всегда разделяется.
Вводный курс. Язык программирования Java
11. Класс Arrays. Работа с массивами
Большая часть методов работы с массивами определена в специальном классе Arrays пакета java.util. Ряд методов определены в классах java.lang.Object и java.lang.System.
На практике наиболее часто в основном используются методы класса java.util.Arrays, а также несколько методов классов java.lang.Object и java.lang.System. Указанные методы представлены ниже.
Методы перегружены для всех примитивных типов
[]b=Arrays.copyOf([]a, int newLength)
[]a – исходный массив
[]b – новый массив
newLength – длина нового массива
[]b=Arrays.copyOfRange ([]a, int index1, int index2)
копирование части массива,
[]a – исходный массив
[]b – новый массив
index1, index2– начальный и конечный индексы копирования
[]a – исходный массив
[]b – новый массив
indexA-начальный индекс копирования исходного массива
indexB-начальный индекс нового массива
count— количество элементов копирования
[]b= a.java.lang.Object.clone()
[]a – исходный массив
[]b – новый массив
Arrays.sort([]a)
Сортировка. Упорядочивание всего массива в порядке возрастания
Arrays.sort([]a,index1,index2)
Сортировка части массива
в порядке возрастания
Arrays.sort([]a, Collections.reverseOrder());
Сортировка. Упорядочивание всего массива в порядке убывания
Boolean f=Arrays.equals([]a,[]b)
String str=Arrays.toString([]a);
Вывод одномерных массивов. Все элементы представлены в виде одной строки
int index=Arrays.binarySearch([]a,элемент a)
поиск элемента методом бинарного поиска
Arrays.fill([]a, элемент заполнения)
заполнение массива переданным значением
Boolean f=Arrays.deepEquals([]a, []b)
сравнение двумерных массивов
List Arrays.asList( []a);
Перевод массива в коллекцию
Для работы с классом необходимо подключить библиотеку java.util.Arrays.
Методы работы с массивами
Копирование массивов
Метод java.util.Arrays.copyOf()
Arrays.copyOf возвращает массив-копию новой длины. Если новая длина меньше исходной, то массив усекается до этой длины, а если больше, то дополняется значениями по умолчанию соответствующего типа.
[]b=Arrays.copyOf([]a, int newLength),
[]a – исходный массив
[]b – новый массив
newLength – длина нового массива
Пример 1.
длина массива a:6
длина массива b: 6
массив a
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0
новая длина массива b: 3
массив b
0.0 1.0 2.0
Пример 2.
массив flag1
true true true
массив flag2
false false false false false
длина массива flag2: 5
массив flag2
true true true false false
Метод java.util. Arrays.copyOf()
Arrays.copyOfRange возвращает массив-копию новой длины, при этом копируется часть оригинального массива от начального индекса до конечного –1.
[]b=Arrays.copyOfRange ([]a, int index1, int index2),
[]a – исходный массив
[]b – новый массив
index1, index2– начальный и конечный индексы копирования
Пример.
Дни недели:
Понедельник Вторник Среда Четверг Пятница Суббота Воскресенье
Рабочие дни
Понедельник Вторник Среда Четверг Пятница
Метод arraycopy() из класса System
Быстродействие метода System.arraycopy() выше по сравнению с использованием цикла for для выполнения копирования. Метод System.arraycopy( ) перегружен для обработки всех типов.
[]a – исходный массив
[]b – новый массив
indexA-начальный индекс копирования исходного массива
indexB-начальный индекс нового массива
count— количество элементов копирования
Пример.
Пример.
Метод clone() из класса Object
[]b= a.java.lang.Object.clone();
[]a – исходный массив
[]b – новый массив
Пример.
Сортировка массивов
Метод Arrays.sort([]a)
Метод sort() из класса Arrays использует усовершенствованный алгоритм Быстрой сортировки (Quicksort), который эффективен для большинства набора данных. Метод упорядочивает весь массив в порядке возрастания значений элементов.
Arrays.sort([]a),
[]a – исходный массив, после работы метода массив будет содержать упорядоченные значения элементов в порядке возрастания.
Пример.
Метод Arrays.sort([]a,index1,index2)
выполняет сортировку части массива по возрастанию массива от index1 до index2 минус единица
Arrays.sort([]a,index1,index2),
[]a – исходный массив
Сортировка массива по убыванию
Arrays.sort([]a, Collections.reverseOrder());
При сортировке массива в обратном порядке (по убыванию) нужно использовать вместо примитивного типа, объектный тип.
15,39 1,54 17,47 15,50 3,83 16,43 18,87 15,54 8,23 12,97
Массив,отсотированный по убыванию
18,87 17,47 16,43 15,54 15,50 15,39 12,97 8,23 3,83 1,54
Сравнение массивов
Чтобы быть равными, массивы должны иметь одинаковый тип и число элементов, а каждый элемент должен быть равен каждому соответствующему элементу другого массива.
Boolean f=Arrays.equals([]a,[]b);
Метод вернет true, если содержимое массивов равно, в противном случае false.
Вывод одномерных массивов
String str=Arrays.toString([]a);
Это адрес: [Ljava.lang.String;@1db9742
Это значения: [Красный, Синий, Зеленый]
До сортировки: [7, 2, 9, 1, 0, 3, 4, 8, 5, 6]
После сортировки: [0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9]
Вывод многомерных массивов
Для вывода многомерных массивов метод Arrays.deepToString.
String str= Arrays.deepToString([][]a);
массив a: [[1, 2, 3], [4, 5, 6], [7, 8, 9]]
массив ch: [[а, б, в], [г, д, е], [ё, ж, з]]
Бинарный поиск элемента в одномерном массиве
Бинарный поиск – алгоритм поиска элемента в отсортированном массиве. Алгоритм основывается на принципе последовательного деления массива пополам.
int index=Arrays.binarySearch([]a,элемент x),
index – индекс элемента в массиве, если поиск успешный,
отрицательное число – если в массиве элемент не найден
Массив должен быть отсортирован! В противном случае результат будет неопределенным.
Массив= [0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9]
искомое значение = 5
Массив= [август, апрель, декабрь, июль, июнь, май, март, ноябрь, октябрь, сентябрь, февраль, январь]
искомое значение = март
Заполнение массива
Метод Arrays.fill() позволяет заполнить массив одинаковыми данными.
Имеется два метода
Arrays.fill([]a, value);
Arrays.fill(a[], int index1, int index2, value),
[]a – заполняемый массив,
index1, index2- индексы диапазона заполнения,
До заполнения a: [0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0]
До заполнения b: [0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0]
До заполнения bool: [false, false, false, false, false, false, false, false, false, false]
После заполнения a: [9, 9, 9, 9, 9, 9, 9, 9, 9, 9]
После заполнения b: [0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 2.0, 2.0, 2.0, 2.0, 2.0]
После заполнения: bool[true, true, true, true, true, false, false, false, false, false]