FAV-ZCU/KIV PPA1/8. Pole.md

Pole

• Strukturovaný datový typ pro uložení více prvků stejného typu
• Pro uložení více hodnot stejného typu se hodí pole

Základní práce s (jednorozměrným) polem

• Pole
  • Strukturovaný datový typ
  • Skládá se z pevně daného počtu prvků
  • Je homogenní – všechny prvky v něm uložené jsou stejného typu
  • Počet prvků se stanoví při inicializaci (vytvoření) pole a pak již nelze změnit
  • Počet prvků je délka pole, která je v poli kromě prvků rovněž uložená
• Indexy
  • Jednotlivé prvky pole jsou přístupné pomocí indexů
  • V Javě má index vždy hodnoty 0 až délka pole - 1

Deklarace a vytvoření pole

• Pole je podobné třídám a objektům
  • V podstatě se jedná o speciální třídu a při inicializaci pole vytváříme její „instanci“ uloženou na haldě
• Je potřeba deklarovat referenční proměnou a vytvořit novou „instanci pole“ operátorem new
  • Stejně jako u objektů je možné udělat obojí najednou, nebo nejprve deklarovat referenční proměnou a později vytvořit nové pole
  • datovýTyp[] proměnná = new datovýTyp[početPrvků];
  • Při vytváření nového pole se udává počet prvků (v hranatých závorkách „[“ a „]“), které bude pole obsahovat
  • Typ prvků pole může být libovolný
    • Libovolný základní datový typ
    • Libovolná třída
• Protože proměnná typu pole je referenční, může být null
  • Pokud se jedná o lokální proměnnou a nevytváříme pole hned při deklaraci jeho referenční proměnné, je rozumné inicializovat referenční proměnnou na null
  • Pokud se jedná o proměnnou instance nebo třídy, je inicializována na null implicitně
• Při vytvoření pole jsou jeho jednotlivé prvky implicitně inicializovány na 0, 0.0, false nebo null podle datového typu pole
  • I v případě, že referenční proměnná ukazující na pole je lokální
• Vytvoření pole výčtem hodnot
  • Pole je kromě operátoru new možné vytvořit i výčtem jeho hodnot uvedeným ve složených závorkách „{“ a „}“
  • Např. int[] fibonacci = {0, 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13};
  • Pole má stejné vlastnosti jako pole vytvořené operátorem new – délku pole určí překladač podle počtu prvků
  • Často používáno jako vzorová data pro usnadnění ladění, nebo uložení pole konstantních hodnot
  • POZOR! – Takto definované pole nemá konstantní prvky, jeho prvky lze libovolně měnit, např. fibonacci[3] = -6;
  • POZOR!
    • Samotným výčtem hodnot lze pole vytvořit POUZE PŘI DEKLARACI
    • Pokud chceme přiřadit do existující referenční proměnné nové pole výčtem hodnot, musí samotnému výčtu předcházet vytvoření pole operátorem new bez udání počtu prvků
    • proměnná = new datovýTyp[] {hodn1, hodn2, …};
    • Např. fibonacci = new int[] {1, 1, 2, 3};
• Konstantní pole
  • Použití klíčového slova final nezajistí, aby prvky pole po prvním přiřazení nešly změnit
  • final pouze zajistí konstantnost referenční proměnné – nelze do ní již přiřadit jinou hodnotu (tj. jiné pole)
    • Prvky pole, na které ukazuje final referenční proměnná lze ale měnit bez problémů
    • To samé platí pro referenční proměnné a instance tříd – hodnoty atributů (proměnných) instance lze měnit, i když je referenční proměnná ukazující na instanci označena jako final

Přístup k prvkům pole a jeho délka

• K jednotlivým prvkům pole se přistupuje pomocí indexu
  • Index se zapisuje za referenční proměnou do hranatých závorek
  • proměnná[index]
• Prvek pole se chová stejně jako proměnná odpovídajícího datového typu
  • Lze do něj zapisovat hodnotu
  • Lze z něj číst hodnotu
  • Např. teploty[0] = 17.5;
  • Např. double teplota = teploty[0];
• Délka pole
  • Každé pole má v sobě informaci o délce uloženou v proměnné length
    • Volá se přes tečkovou notaci stejně jako proměnná instance nad referenční proměnnou pole
    • Např. int pocetTeplot = teploty.length;
  • První prvek pole má index 0
    • Např. double prvniTeplota = teploty[0];
  • Poslední prvek pole má index pole.length – 1
    • Např. double posledniTeplota = teploty[teploty.length - 1];
  • Index mimo rozsah pole
    • POZOR! – Při pokusu o přístup k prvkům se záporným indexem nebo indexem větším nebo rovným délce pole, dojde k chybě za běhu programu (nikoliv při překladu) – je vyhozena výjimka ArrayIndexOutOfBoundsException
• Použití pole jako parametr metody
  • Pole může být použito jako parametr metody (stejně jako primitivní datový typ nebo třída)
  • POZOR! – Stejně jako u tříd a instancí platí, že změny provedené v hodnotách pole předaného do metody jako parametr se projeví vně metody

Výpis celého pole, inicializace stejnou hodnotou

• Pro práci s poli existuje utility třída java.util.Arrays
  • Obsahuje statické metody (podobně jako třída Math) pro práci s poli
• Výpis celého pole
  • Metoda Arrays.toString()
    • Převede celé pole na řetězec, který lze následně vypsat např. metodou System.out.println();
    • POZOR!
      • Sama metoda řetězec pouze vrací, nevypisuje ho
      • Podobně jako metoda instance toString() u objektů
  • Pokud necháme vypsat pole metodou System.out.println() přímo (bez metody Arrays.toString()), vypíše se pouze identifikace „instance pole“
    • Podobně jako implicitní implementace metody instance toString() u objektů
    • Např. volání System.out.println(vektor1); vypíše např. [D@1b6d3586 (čísla za „@“ se budou při různých spuštěních lišit)
• Inicializace prvků pole stejnou hodnotou
  • Prvky pole jsou při vytvoření implicitně inicializovány na 0, 0.0, false nebo null podle datového typu pole
  • Pokud je potřeba inicializovat pole jinou hodnotou (stejnou pro všechny prvky), je možné využít metodu Arrays.fill(pole, hodnota);
    • Např. Arrays.fill(ciselnaRada, 1); naplní všechny prvky pole ciselnaRada hodnotou 1
      • Metoda je překrytá pro pole všech základních datových typů a pole typu Object
  • Existuje i varianta s určením počátečního a koncového indexu vyplnění pole Arrays.fill(pole, indexOd, indexDo, hodnota); Např. Arrays.fill(ciselnaRada, 0, 2, 10); naplní první dva prvky (počáteční index je včetně, koncový není včetně) pole ciselnaRada hodnotou 10

Použití zápisu for - each

• Pokud nepotřebujeme pracovat s indexem pole a stačí nám postupný přístup ke všem jednotlivým prvkům, je možné použít zkrácený zápis cyklu for (známý též jako for - each)
  • for (datovýTyp prvek: pole)
  • Cyklus zaručí, že se dostane na všechny prvky – projde se celé pole od začátku do konce
  • V každé obrátce cyklu je v proměnné prvek následující prvek pole
  • Běžně se používá pro pole (a kolekce – viz předmět KIV/PPA2) objektů

Pole jako tabulka, přepočet indexů

• Tabulka
  • Datová struktura obsahující dvojice klíč a hodnota
  • Pro daný klíč můžeme získat hodnotu
  • Viz předměty KIV/PPA2 a KIV/PT
• Pole se dá použít jako jednoduchá tabulka
  • Index může sloužit jako klíč
  • Hodnota prvku pole jako hodnota
  • Indexy pole začínají vždy od 0 – pokud je potřeba jiný začátek klíčů, je potřeba přepočet

Reprezentace množiny polem

• Množina
  • Soubor prvků (např. čísel) chápaných jako celek
  • Každý prvek může být obsažen v množině maximálně jednou
• Pro reprezentaci množiny lze využít pole typu boolean[]
  • Indexy odpovídají prvkům množiny
  • Hodnoty prvků pole udávají, zda prvek je přítomný v množině (true) nebo není (false)

Pole objektů

• Prvkem pole můžou být kromě základních datových typů i instance
  • Použití se nijak neliší, jen je potřeba nezapomenout vytvořit instance jednotlivých prvků, což se u základních datových typů nedělá

Deklarace pole objektů a jeho inicializace

• Deklarace a vytvoření pole se neliší od polí základních datových typů
  • Je potřeba deklarovat referenční proměnnou a vytvořit novou „instanci pole“ operátorem new
  • Třída[] proměnná = new Třída[početPrvků];
  • Např. Vysledek[] vysledky = new Vysledek[POCET];
  • Opět je možné nejprve deklarovat referenční proměnnou a později vytvořit nové pole
  • Jednotlivé prvky referenční proměnné na instance třídy odpovídající typu pole
    • Po vytvoření pole jsou všechny implicitně inicializovány na hodnotu null
    • POZOR! – V tomto okamžiku (po vytvoření pole) tedy jednotlivé instance prvků neexistují – dosud nebyly vytvořeny operátorem new
• Vytvoření instancí prvků pole
  • Instanci každého prvku je potřeba vytvořit zvlášť, typicky v cyklu for

Přístup k prvkům pole a k proměnným a metodám instance prvků

• Přístup k prvkům pole je stejný jako u polí základních datových typů pomocí indexu v hranatých závorkách „[“ a „]“
• Jednotlivé prvky jsou referenční proměnné ukazující na jednotlivé instance
  • Přístup k atributům a metodám instance je přes tečkovou notaci použitou nad prvkem pole

Vícerozměrná pole

• Pole může mít více rozměrů
  • Často se využívají dvourozměrná (např. pro uložení matic), ale mohou být i tří a vícerozměrná
  • Pole s více než třemi rozměry většinou nemají reálné opodstatnění
  • Pro určení požadovaného prvku pole je potřeba více indexů
    • Počet odpovídá počtu rozměrů pole
• Vícerozměrné pole jako pole polí
  • Dvourozměrné pole v Javě je ve skutečnosti jednorozměrné pole referenčních proměnných, kde každá ukazuje na jednorozměrná pole (tj. „řádku“)
    • Díky tomu má každé jednorozměrné pole svou délku, kterou je možné zjistit, a dvourozměrné pole ji má též
    • Z dvourozměrného pole tak lze zjistit jeho počet řádek i sloupců
    • Každé jednorozměrné pole může mít jinou délku
  • Trojrozměrné pole v Javě je pak jednorozměrné pole referenčních proměnných, kde každá ukazuje na dvourozměrné pole, atd.

Deklarace a vytvoření vícerozměrného pole

• Deklarace referenční proměnné pro vícerozměrné pole je podobná jako pro jednorozměrné
  • Pouze obsahuje více prázdných párů hranatých závorek „[]“ – jeden pár pro každý rozměr pole
  • datovýTyp[][]…[] proměnná; Např. double[][] prvkyMatice;
• Vytvoření všech rozměrů najednou
  • Nejběžnější použití vícerozměrných polí
  • Počty prvků ve všech rozměrech pole udány najednou
    • V případě dvourozměrného pole má každý řádek stejnou šířku
    • Tzv. pravoúhlé pole – pole tvoří pravoúhlý obrazec – obdélník, kvádr, teserakt, atd.
  • proměnná = new datovýTyp[počet1][počet2]…[početN];
  • Např. prvkyMatice = new double[vyska][sirka];
• Vytvoření rozměrů postupně
  • Počty prvků v jednotlivých rozměrech udány postupně
  • Nejprve vytvoříme „vnější“ pole a pak do jeho jednotlivých prvků přiřadíme nové „instance“ „vnitřních“ polí
    • V případě dvourozměrného pole může mít každý řádek různou délku
    • Pole je „zubaté“
  • proměnná = new datovýTyp[počet1][]…[];
  • POZOR!
    • Musí se vždy začínat rozměrem nejvíc vně (tj. první závorky zleva)
    • Nelze proměnná = new datovýTyp[][počet2]…[];
• Vytvoření pole výčtem hodnot
  • I vícerozměrné pole je možné vytvořit výčtem hodnot
    • Pole může být pravoúhlé i „zubaté“
  • Platí stejná pravidla, jako při vytváření jednorozměrného pole
    • Použití samotného výčtu je možné pouze při deklaraci, při pozdějším vytvoření pole je nutné použít i operátor new

Přístup k prvkům pole

• Pro přístup k jednotlivým prvkům vícerozměrného pole se používá více indexů
  • Počet indexů odpovídá počtu rozměrů pole
• Použití méně indexů než je rozměrů pole
  • Při použití méně indexů se nedostaneme k prvku pole, ale k poli s menším rozměrem
  • Např. pokud máme dvourozměrné pole a použijeme pouze jeden index, dostaneme se k jednorozměrnému („vnitřnímu“) poli, tj. k „řádce“ pole
  • V okamžiku, kdy se dostaneme na „vnitřní“ pole, můžeme zjistit jeho délku
    • To se velmi často využívá
    • Funguje dobře při procházení vícerozměrného pole, i pokud je pole „zubaté“

Pole v paměti

• Pole je ve skutečnosti instance speciální třídy a je celé uloženo na haldě (heap)
  • Jak to vypadá v paměti při práci s poli, je demonstrováno na příkladu s polem primitivního datového typu a na příkladu s polem objektů
• Pole nulové délky
  • Pole může mít délku 0 prvků
  • Pak nemá žádný prvek, do kterého by šla zapsat hodnota, ale může být použitelná informace o nulové délce
• Rozdíl oproti referenční proměnné pole rovné null
  • Referenční proměnná pole rovná null neukazuje na žádné pole (žádné pole není na haldě)
  • Pole nulové délky na haldě existuje a ukazuje na něj referenční proměnná, neobsahuje ale žádný prvek

Pole primitivních datových typů v paměti

• Pole primitivních datových typů ve své „instanci“ přímo obsahuje hodnoty jednotlivých prvků