创建通用数组的问题

在这篇文章中，我们将介绍一篇全面的文章，其中介绍了创建通用数组的问题。 Java编程语言于2004年9月在Java 5.0“ Tiger”发行版中添加了泛型。泛型或类型参数化系统在提供类型安全性的同时扩展了Java现有的类型系统。

1.简介

Java具有Collections Framework，它提供了用于Java软件开发的通用数据结构库。集合框架缺少一个数据结构-数组。但是，Java Collections Framework具有类型化参数化ArrayList.java和Vector.java数据结构。两种数据结构都使用一维动态数组，该数组使用java.lang.Object的基础数组。

Java提供了一个内置数组，该内置数组是自1995年以来的Java 1.0以来语言规范中所包含的对象。作为对象，内置数组在Java代码中声明并实例化为特定类型。内置数组是对象的容器，对象的数量和长度是固定的，可能是多个维度。

但是，尚未完全实现使用泛型的编译时类型安全性。特别是内置数组对象。

2.通用数组

问题是泛型与Java中的内置数组实体一起使用时。考虑下面的Java类TestArray1.java，它在单个泛型类型参数E周围声明了两个泛型数组。Java类源代码为：

class TestArray1 {public E[] array = new E[10];
}//end class TestArray1

TestArray1.java的源代码仅是声明性的，不使用数组。编写了通用数组的两个用例：一个用于通用数组作为类属性，另一个用于在类的静态（即非实例）方法中使用通用数组。

2.1编译时的一般错误

编译时，编译器报告以下错误：

Error: TestArray1.java.                                                             Line 3 At 22: generic array creation                                            public E[] array = new E[10];                                                 ^

报告了一种错误：通用数组创建。此错误直接对应于通用数组的用例。

协方差

在Java中，数组是协变的，或者对特定类型使用通用的类型专用化，例如对集合的集合。但是，通用类型参数不是协变的。 Goetz解释说：“ Collections类使用一个丑陋的技巧来解决此问题……” [Goet 2019]

因此，要将内置数组与Java泛型或泛型类型参数E一起使用，该数组必须为java.lang.Object类型，这是Java中的超大型类型。一切都是一个java.lang.Object，这是丑陋的把戏。

对象数组

然而，使用对象数组的缺点是泛型必须将数据结构或变量绑定到特定类型。对象类型的数据结构可以混合和匹配任何类型，并且需要类型转换才能转换为原始类型。在这种情况下，Java中的泛型没有用-这是核心问题。

问题的解决方案或答案很简单-一个通用的Java数组类。这样的类不在Java集合框架中，因此可以创建它。

3. Java数组类

Java Array类类似于Java集合框架中的其他数据结构，它是一个数据结构。最初编写的实现是为了简单起见，它没有实现任何特定的接口或扩展任何超类。目标是获得功能和有用的数组作为要构建的Array.java类。通用类型参数Array.java类的框架为：

class Array {Array(final int... dim);void init(final E elem);                                                             void init(final E[] elem);E get(final int...idx);void add(final E elem, final int... idx);					      	             }

本质上，您有一种方法可以构造任意级别的数组，然后构造任意大小的维

然后，该数组具有方法init（）将数组初始化为默认值或前哨初始值。最后，数组具有两个主要方法，一个在数组中的特定位置添加一个元素，并添加一个元素。实例化或创建，初始化整个数组以及访问元素的基本功能。

3.1数组类属性

Java数组类具有几个属性，这些属性定义Array.java类的实例。通用类型参数Array.java类的属性为：

class Array {int size;                                                                             int dim[];                                                                            int rank;	                                                                             Object data[];                                                                    E elem;                                                                           }

Array.java类属性是作为对象的内置数组的数据，该数组的边界，例如大小，等级，尺寸。最后，还有一个元素，即初始化元素。

3.2使用Varargs的等级和维度

Java编程语言在2004年9月发行的Java 5.0“ Tiger”中添加了变量号或参数或自变量，命名为Java变量自变量，或更简单地说是varargs。此特殊功能允许构造函数或方法采用不同数量的参数，因此泛化参数，而不必仅仅为参数数量而复制构造函数或方法。

Array类的一般化使用此特定的Java功能：varargs，或用于创建和访问Array.java类中的元素的变量参数。这允许任何等级（维数），也允许任何非负整数的任何数字维数。

Varargs还允许等级为一般等级，因此Array.java类的等级（至少在理论上……）没有上限。因此，可变参数允许在定义和使用通用Array.java类时进行整体概括。

使用Varargs的构造函数

Array.java构造函数的源代码说明了如何使用varargs作为维度，以使用Array.java类创建通用数组对象。等级和维度是通用的，因此具有任何维度范围的数组的任何等级都是可能的。 Array.java构造函数的源代码为：

Array(final int... dims) {                                                           this.rank = dims.length;                                                           this.dim  = new int[rank];                                                         int size  = 1;                                                                     //compute size of 1-dim internal array                                             for (int x = 0; x < dims.length; x++) {                                             size = size * dims[x];                                                           dim[x] = dims[x];                                                                 }//end for                                                                                                                                                      //create internal "flat" array                                                                                                            this.data = new Object[size];                                                  this.size = size;                                                                   }//end constructor

varargs是作为基本int传递的可变参数，它们是变量dims中的整数数组。根据暗淡程度，可以计算和创建数组边界的尺寸以及整个内部“平面”数组。如果没有可变参数，则需要针对每个维度的不同维度的构造函数。由于有限数量的构造函数用于等级，因此Array.java通用数组类将受到限制，而对于varargs而言则不那么普遍。

带Varargs的访问器

通过get和set方法访问通用数组中的元素。这些是访问或访问方法。与属性getter和setter方法不同，对于通用数组类，维度索引指定元素。

使用varargs，这可以概括访问任何等级或维度的访问方法。对照通用数组的边界和等级检查维度索引以进行访问。

读取访问者获取

getter方法是读取访问器，它从数组读取或复制一个值。 Array.java的get访问器方法的源代码是：

E get(final int... idx) {                                                            return (E) this.data[this.getIndex(idx)];                                      }//end get

写访问器集

setter方法是写访问器，它将值写入或复制到数组中。 Array.java set访问器方法的源代码是：

void set(final E elem, final int... idx) {                                           this.data[this.getIndex(idx)] = elem;                                          }//end set

为简单起见，辅助方法getIndex（）进行了计算单个维度索引并检查数组索引边界的实际“繁重工作”。

辅助方法

三个辅助方法或辅助方法在通用Array.java类中进行实际处理。一种方法，getIndex（）从多个索引维度计算单个索引，其他两种方法isValidDim（）和isValidIndex（）验证所计算的索引或给定的索引没有超出数组的边界。辅助方法的接口源代码为：

class Array {int getIndex(final int... idx);boolean isValidDim(final int... idx);						       boolean isValidIndex(final int idx);					      	             }//end class Array

繁重的工作获得元素索引

getIndex（）方法是Array.java类的核心功能。 getIndex（）方法将索引计算到元素的内部一维线性或“平面”数组中。从编译器理论（这暗示了该理论，但更深入的解释超出了解释的范围），数组可以通过行主索引或列主索引来建立索引。 [Aho 2007]

对于Array.java类，它是无关紧要的，只要该函数对于数组实例的维边界的给定索引是一致的即可。 getIndex（）方法的源代码是：

int getIndex(final int... idx){                                                          isValidDims(idx);                                                                  int index = 0;                                                                     for(int x = 0; x < idx.length; x++) {                                             int i = idx[x];                                                                    for(int y = x + 1; y < idx.length; y++) {                                         i = i * dim[y];                                                                    }//end for                                                                                                                                                   index = index + i;                                                                 }//end for                                                                                                                                                        return index;                                                                          }//end getIndex

getIndex（）方法的源代码在实际计算内部线性数组中的一维索引之前，先验证索引的维度。

索引验证

有两种验证索引的方法。一种是验证多维索引，另一种是验证单个索引。验证一维索引的源代码为：

void isValidIndex(final int idx){                                                        if(idx = this.size) throw new RuntimeException("Index Overflow Error!");             }//end isValidIndex

isValidIndex（）仅检查索引在数学上是否在零到内部数组整体大小的范围内。如果索引不在该范围内，则会引发运行时未经检查的异常。验证多维索引的源代码为：

void isValidDims(final int... idx) {                                                   if(idx.length != this.dim.length) throw new RuntimeException("Rank Error");       for(int x = 0; x = dim[x]) throw new RuntimeException(“Index Overflow Error");         if(idx[x] < 0) throw new RuntimeException(“Index Underflow Error”);                            }//end for                                                                                                                                                    }//end isValidDims

isValidDims（）仅遍历每个维度参数，并检查索引的等级是否与数组的等级参数相同。如果数组的等级和索引不相等，则抛出运行时未经检查的异常RuntimeException。

3.3其他非Varargs方法

其他方法是非可变参数，它们不采用任何参数作为getter访问器方法，或者采用单个参数。两类方法是：

查询数组参数
独特的阵列功能

查询数组

查询数组参数可以使用getter访问方法或使用参数来访问数组的参数。该数组用于查询等级，整体大小，上部尺寸以及等级内特定索引处的尺寸。用于查询Array.java类的数组方法的接口是：

class Array {int getDim(final int dim);int[] getDims();int getRank();int size();					      	                                   }//end class Array

独特的数组类功能

独特的数组类功能是一个构造函数和两个提供独特功能的方法。这两种方法是访问并转换为Array类实例的线性数组。另一个功能是构造函数，它允许复制或复制Array类的实例。 Array.java类的功能是：

class Array {Array(final Array array);E getAt(final int idx);Object[] toArray();							      }

存取器为线性阵列

getAt（）方法允许访问数组元素，就像Array类实例是一维的“扁平”线性数组一样。检查整数索引的有效性，并使用内部一维数组在有效位置返回元素。作为线性数组访问的源代码为：

E getAt(final int index) {                                                             this.isValidIndex(index); 				                                      return (E) this.data[index];                                                   }//end getAt

转换为线性对象数组

toArray（）方法转换Array类实例，或者访问内部的一维数组并将其作为Object数组返回。 toArray（）方法返回内部线性数组的浅表副本，而不是深表副本。用于访问线性Object数组的getter访问器源代码为：

Object[] toArray() {                                                                    return this.data;                                                              }//end toArray

复制构造函数

复制构造函数允许复制Array类实例，但将其复制为现有Array类实例的“深层”副本。复制的数组和副本具有相同的类型参数，尺寸，等级和元素。复制构造函数的源代码为：

Array(final Array orig) {                                                              this.rank = orig.rank;                                                                       this.dim  = orig.dim;                                                                 this.size = orig.size;                                                               this.elem = (E) orig.elem;                                                    this.data = new Object[this.size];		                                    System.arraycopy(orig.data, 0, this.data, 0, this.size);                     }//end constructor copy

System.arraycopy（）复制原始文件，并为深度复制创建一个新的Object数组。各种Array类实例参数将复制到深层副本中。

4.使用通用数组类

在源代码中通过两个用法示例说明了如何使用Java通用数组Array.java：

气泡排序算法
乘法表

两个示例都通过演示来说明如何使用通用数组类方法围绕数组创建，初始化，访问，查询和实现功能，但不使用内置Java数组。源代码说明了源代码片段的输出。

4.1气泡排序

冒泡排序是一种基本的简单排序算法，但是非常适合说明Array.java通用数组类的用法。冒泡排序是通过以下通用Java数组实现的：

Array list = new Array(9).init(new Integer[]{3,5,7,4,8,0,2,1,6});  System.out.println(Arrays.toString(list.toArray()));                                  boolean swapFlag = true;                                                               while(swapFlag) {                                                                       swapFlag = false;                                                                    for(int x=0;x 0) {                                     Integer temp = list.get(x);                                                       list.set( list.get(x+1), x);                                                      list.set( temp, (x+1));                                                         swapFlag = true;                                                                  }//end if                                                                                                                                                         }//end for                                                                                                                                                          }//end while                                                                                                                                                            System.out.println(Arrays.toString(list.toArray()));

运行时，使用通用Java数组进行冒泡排序的输出为：

[3, 5, 7, 4, 8, 0, 2, 1, 6]                                                              
[0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8]

4.2乘法表

Java通用数组的一个基本说明性应用程序是创建一个简单的整数表（从1到10）。这需要二维整数数组。创建乘法表后，将验证恒等式和可交换性的数学属性。通用Java数组的这种用法的源代码为：

Array multiplyTable = new Array(10,10).init(0);                    for(int x=0;x<multiplyTable.getDim(0);x++){                                            for(int y=0;y<multiplyTable.getDim(1);y++){                                            multiplyTable.set(x*y, x,y);		                                           }//end for                                                                                                                                                       }//end for                                                                                                                                                            //check 1*n = n                                                                                                                                         for(int x=0;x<multiplyTable.getDim(0);x++){                                           if(multiplyTable.get(1,x) != x)                                                     throw new RuntimeException("Identity property doesn't hold!”);                     if(multiplyTable.get(x,1) != x)                                                    throw new RuntimeException("Identity property doesn't hold!”);                     }//end for   //check m*n = n*m                                                                                                                                              for(int x=0;x<multiplyTable.getDim(0);x++){                                               for(int y=0;y<multiplyTable.getDim(1);y++){                                             if(multiplyTable.get(x,y) != multiplyTable.get(y,x) )                               throw new RuntimeException("Commutative property doesn't hold!");	                 }//end for                                                                                                                                                         }//end for

没有输出，因为乘法的恒等式和交换数学属性是真实的，因此是有效的。但这说明了二维通用数组的使用。对于其他更高的尺寸，其他应用也是可能的。

5.结论

最初的问题证明了使用内置数组实体的参数化类型或通用数组的问题。使用相同的代码片段，但替换通用数组Array.java，源代码为：

class TestArray2 {                                                                                                                                                                                                                   public Array array = new Array(10);                                                                                                                                                                                              }//end class TestArray2

编译时，没有报告的错误。数据结构Array.java实现了原始问题的解决方案。

Java中的类型参数化或泛型允许使用类型安全的类，但是在泛型类型参数化系统的设计中需要权衡取舍。因此，Java中的泛型具有一些与内置Java数组实体有关的缺陷。不幸的是，Java Collections Framework无法通过提供数组数据结构来解决该问题。

该解决方案在Java语言和通用类型参数化内。只需将通用Array类设计为用Java编写的一流对象即可。从表面上看，它似乎是现有Java实体（数组）的冗余副本。

这不是复制；设计Java Array类将创建一个通用的类型安全的数据结构，该结构可以替代内置Java数组实体。需要权衡的是，在没有运算符重载的情况下，语法在数组访问和操作方面不太明确，但与在对象实例上调用方法一致。