Lekce 7 - Pole v Javě

V předešlém cvičení Řešené úlohy k 6. lekci Javy jsme si procvičili nabyté zkušenosti z předchozích lekcí.

Dnes si v tutoriálu představíme datovou strukturu pole a vyzkoušíme si, co všechno umí.

Pole

Představte si, že si chcete uložit nějaké údaje o více prvcích. Např. chcete v paměti uchovávat 10 čísel, políčka šachovnice nebo jména 50ti uživatelů. Asi vám dojde, že v programování bude nějaká lepší cesta, než začít bušit proměnné uzivatel1, uzivatel2, ... až uzivatel50. Nehledě na to, že jich může být třeba 1000. A jak by se v tom potom hledalo? Brrr, takhle ne

Pokud potřebujeme uchovávat větší množství proměnných stejného typu, tento problém nám řeší pole. Můžeme si ho představit jako řadu přihrádek, kde v každé máme uložený jeden prvek. Přihrádky jsou očíslované tzv. indexy, první má index 0.

(Na obrázku je vidět pole osmi čísel)

Programovací jazyky se velmi liší v tom, jak s polem pracují. V některých jazycích (zejména starších, kompilovaných) nebylo možné za běhu programu vytvořit pole s dynamickou velikostí (např. mu dát velikost dle nějaké proměnné). Pole se muselo deklarovat s konstantní velikostí přímo ve zdrojovém kódu. Toto se obcházelo tzv. pointery a vlastními datovými strukturami, což často vedlo k chybám při manuální správě paměti a nestabilitě programu (např. v C++). Naopak některé interpretované jazyky umožňují nejen deklarovat pole s libovolnou velikostí, ale dokonce tuto velikost na již existujícím poli měnit (např. PHP). My víme, že Java je virtuální stroj, tedy cosi mezi kompilerem a interpretem. Proto můžeme pole založit s velikostí, kterou dynamicky zadáme až za běhu programu, ale velikost existujícího pole modifikovat nemůžeme. Lze to samozřejmě obejít nebo použít jiné datové struktury, ale k tomu se dostaneme.

Možná vás napadá, proč se tu zabýváme s polem, když má evidentně mnoho omezení a existují lepší datové struktury. Odpověď je prostá: pole je totiž jednoduché. Nemyslím pro nás na pochopení (to také), ale zejména pro Javu. Rychle se s ním pracuje, protože prvky jsou v paměti jednoduše uloženy za sebou, zabírají všechny stejně místa a rychle se k nim přistupuje. Mnoho vnitřních funkčností v Javě proto nějak pracuje s polem nebo pole vrací. Je to klíčová struktura.

Pro hromadnou manipulaci s prvky pole se používají cykly.

Pole deklarujeme pomocí hranatých závorek:

int[] pole;

Slovo pole je samozřejmě název naší proměnné. Nyní jsme však pouze deklarovali, že v proměnné bude pole prvků typu int. Nyní ho musíme založit, abychom ho mohli používat. Použijeme k tomu klíčové slovo new, které zatím nebudeme vysvětlovat. Spokojme se s tím, že je to kvůli tomu, že je pole referenční datový typ (můžeme chápat jako složitější typ):

int[] pole = new int[10];

Nyní máme v proměnné pole pole o velikosti deseti čísel typu int.

K prvkům pole potom přistupujeme přes hranatou závorku, pojďme na první index (tedy index 0) uložit číslo 1.

int[] pole = new int[10];
pole[0] = 1;

Plnit pole takhle ručně by bylo příliš pracné, použijeme cyklus a naplníme si pole čísly od 1 do 10. K naplnění použijeme for cyklus:

int[] pole = new int[10];
pole[0] = 1;
for (int i = 0; i < 10; i++) {
    pole[i] = i + 1;
}

Abychom pole vypsali, můžeme za předchozí kód připsat:

{JAVA_CONSOLE}

int[] pole = new int[10];
pole[0] = 1;
for (int i = 0; i < 10; i++) {
    pole[i] = i + 1;
}

for (int i = 0; i < pole.length; i++) {
    System.out.print(pole[i] + " ");
}
{/JAVA_CONSOLE}

Všimněte si, že pole má konstantu length, kde je uložena jeho délka, tedy počet prvků. Stejně tak můžeme použít metodu size(), která vrátí stejný výsledek.

Konzolová aplikace
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Můžeme použít zjednodušenou verzi cyklu pro práci s kolekcemi, známou jako foreach. Ten projede všechny prvky v poli a jeho délku si zjistí sám. Jeho syntaxe je následující:

for (datovytyp promenna : kolekce) {
    // příkazy
}

Cyklus projede prvky v kolekci (to je obecný název pro struktury, které obsahují více prvků, u nás to bude pole) postupně od prvního do posledního. Prvek máme v každé iteraci cyklu uložený v dané proměnné.

Přepišme tedy náš dosavadní program pro foreach. Foreach nemá řídící proměnnou, není tedy vhodný pro vytvoření našeho pole a použijeme ho jen pro výpis.

{JAVA_CONSOLE}
int[] pole = new int[10];
pole[0] = 1;
for (int i = 0; i < 10; i++) {
    pole[i] = i + 1;
}
for (int i : pole) {
    System.out.print(i + " ");
}
{/JAVA_CONSOLE}

Výstup programu:

Konzolová aplikace
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Pole samozřejmě můžeme naplnit ručně a to i bez toho, abychom dosazovali postupně do každého indexu. Použijeme k tomu složených závorek a prvky oddělujeme čárkou:

String[] simpsonovi = {"Homer", "Marge", "Bart", "Lisa", "Maggie"};

Pole často slouží k ukládání mezivýsledků, které se potom dále v programu používají. Když něco potřebujeme 10x, tak to nebudeme 10x počítat, ale spočítáme to jednou a uložíme do pole, odtud poté výsledek jen načteme.

Metody na třídě Arrays

Java nám poskytuje třídu Arrays, která obsahuje pomocné metody pro práci s poli.

K jejímu použití je třeba ji naimportovat:

import java.util.Arrays;

Pojďme se na ně podívat:

sort()

Jak již název napovídá, metoda nám pole seřadí. Její jediný parametr je pole, které chceme seřadit. Je dokonce tak chytrá, že pracuje podle toho, co máme v poli uložené. Stringy třídí podle abecedy, čísla podle velikosti. Zkusme si seřadit a vypsat naši rodinku Simpsnů:

package onlineapp;

import java.util.Arrays;

public class Program {

public static void main(String[] args) {

String[] simpsonovi = {"Homer", "Marge", "Bart", "Lisa", "Maggie"};
Arrays.sort(simpsonovi);
for (String s : simpsonovi) {
    System.out.print(s + " ");
}

}
}

Konzolová aplikace
Bart Homer Lisa Maggie Marge

Zkuste si udělat pole čísel a vyzkoušejte si, že to opravdu funguje i pro ně.

binarySearch()

Když pole seřadíme, umožní nám v něm Java vyhledávat prvky. Metoda binarySearch() nám vrátí index prvního nalezeného prvku. V případě nenalezení prvku vrátí -1. Metoda bere dva parametry, prvním je pole, druhým hledaný prvek. Umožníme uživateli zadat jméno Simpsna a poté zkontrolujeme, zda je to opravdu Simpson. Pole musí být opravdu setříděné, než metodu zavoláme!

package onlineapp;

import java.util.Arrays;
import java.util.Scanner;

public class Program {

public static void main(String[] args) {

Scanner sc = new Scanner(System.in, "Windows-1250");

String[] simpsonovi = {"Homer", "Marge", "Bart", "Lisa", "Maggie"};
System.out.println("Zadej Simpsna (z rodiny Simpsnů): ");
String simpson = sc.nextLine();

Arrays.sort(simpsonovi);
int pozice = Arrays.binarySearch(simpsonovi, simpson);
if (pozice >= 0)
        System.out.println("Jo, to je Simpson!");
else
        System.out.println("Hele, tohle není Simpson!");

}
}

Konzolová aplikace
Zadej Simpsna (z rodiny Simpsnů):
Homer
Jo, to je Simpson!

copyOfRange()

Metoda copyOfRange() již podle názvu zkopíruje část pole do jiného pole. Prvním parametrem je zdrojové pole, druhým startovní pozice a třetím konečná pozice. Metoda vrací nové pole, které je výsekem původního pole.

Proměnná délka pole

Říkali jsme si, že délku pole můžeme definovat i za běhu programu, pojďme si to zkusit:

Scanner sc = new Scanner(System.in, "Windows-1250");

System.out.println("Ahoj, spočítám ti průměr známek. Kolik známek zadáš?");
int pocet = Integer.parseInt(sc.nextLine());
int[] cisla = new int[pocet];
for (int i = 0; i < pocet; i++) {
        System.out.printf("Zadejte %d. číslo: ", i + 1);
        cisla[i] = Integer.parseInt(sc.nextLine());
}
// spočítání průměru
int soucet = 0;
for (int i: cisla) {
        soucet += i;
}
float prumer = soucet / (float)cisla.length;

System.out.printf("Průměr tvých známek je: %f", prumer);

Konzolová aplikace
Ahoj, spočítám ti průměr známek. Kolik známek zadáš?
5
Zadejte 1. číslo: 1
Zadejte 2. číslo: 2
Zadejte 3. číslo: 2
Zadejte 4. číslo: 3
Zadejte 5. číslo: 5
Průměr tvých známek je: 2.6

Tento příklad by šel samozřejmě napsat i bez použití pole, ale co kdybychom chtěli spočítat např. medián? Nebo např. vypsat zadaná čísla pozpátku? To už by bez pole nešlo. Takhle máme k dispozici v poli původní hodnoty a můžeme s nimi neomezeně a jednoduše pracovat.

U výpočtu průměru si všimněte, že při dělení je před jedním operandem napsáno (float), tím říkáme, že chceme dělit neceločíselně. Jistě si vzpomínáte, že při zadávání čísel při dělení jsme při 3 / 2 dostali výsledek 1 a při 3 / 2.0F dostali výsledek 1.5. Zde je princip stejný.

To by pro dnešek stačilo, můžete si s polem hrát.

V následujícím cvičení Řešené úlohy k 7. lekci Javy si procvičíme nabyté zkušenosti z předchozích lekcí.