المصفوفات في جافا: الإعلان والتهيئة والوصول والتكرار

المصفوفة قائمة ذات حجم ثابت

تحتفظ المصفوفة في جافا بعدد ثابت من القيم من النوع نفسه، مرتبةً بالتتابع ويُوصَل إليها بالموضع. والكلمة المفتاحية هي "ثابت": بمجرد أن تنشئ مصفوفة، لا يتغير طولها أبدًا. و"النوع نفسه": فالمصفوفة int[] لا تحمل سوى قيم int، والمصفوفة String[] لا تحمل سوى السلاسل النصية. هذه الصرامة هي الثمن الذي تدفعه مقابل أن تكون المصفوفات سريعة ومُوفِّرة للذاكرة.

تعلن عن نوع مصفوفة بوضع [] بعد نوع العنصر، ثم إما أن تُسند قيمة حرفية أو تخصّص واحدة باستخدام new:

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        int[] scores = {82, 91, 73, 88};
        String[] names = {"Ada", "Boris", "Chen"};

        System.out.println(scores[0]);
        System.out.println(names[1]);
    }
}

يمكن أن توضع الأقواس المربعة بعد النوع (int[] scores) أو بعد الاسم (int scores[]). كلاهما يُصرَّف، لكن int[] scores هو الأسلوب الاصطلاحي في جافا - ضع [] مع النوع، حيث ينبغي أن تكون.

إنشاء مصفوفة باستخدام new

عندما لا تعرف القيم بعدُ لكنك تعرف الحجم، استخدم new. فهذا يخصّص الخانات ويملؤها بالقيمة الافتراضية للنوع:

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        int[] nums = new int[5];
        boolean[] flags = new boolean[3];
        String[] words = new String[2];

        System.out.println(nums[0]);
        System.out.println(flags[0]);
        System.out.println(words[0]);
    }
}

القيم الافتراضية ليست خردة عشوائية - بل تُهيّئ جافا كل عنصر بالصفر. تبدأ الأنواع العددية من 0 (أو 0.0)، ويبدأ النوع boolean من false، وتبدأ الأنواع المرجعية مثل String من null. ويجدر تذكّر هذا الـnull: فالمصفوفة String[] المخصَّصة حديثًا مملوءة بـnull، واستدعاء دالة على أحدها يطلق NullPointerException.

تبدأ الفهرسة من الصفر

تقرأ العناصر وتكتبها بالفهرس، بدءًا من 0. والفهرس الصالح الأخير هو دائمًا length - 1:

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        String[] colors = {"red", "green", "blue"};

        System.out.println(colors[0]);
        System.out.println(colors[2]);

        colors[1] = "yellow";
        System.out.println(colors[1]);
    }
}

وعلى خلاف المصفوفات في بعض لغات السكربتة، فإن تجاوز النطاق لا يعطيك بصمتٍ null أو undefined - بل يطلق استثناءً. جرّب قراءة فهرس غير موجود:

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        int[] nums = {10, 20, 30};
        System.out.println(nums[5]);
    }
}

ينهار ذلك البرنامج مُطلقًا:

Exception in thread "main" java.lang.ArrayIndexOutOfBoundsException: Index 5 out of bounds for length 3

هذا من أكثر أخطاء المبتدئين شيوعًا. والإصلاح يكاد يكون دائمًا خطأ الانزياح بمقدار واحد (off-by-one) في شرط حلقة - استخدام <= حيث كنت تقصد <.

length حقل وليس دالة

تحمل كل مصفوفة حجمها في حقل length. لاحظ: بدون أقواس.

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        int[] nums = {10, 20, 30, 40};
        System.out.println(nums.length);
    }
}

وإليك مزلقًا يقع فيه الجميع مرةً على الأقل: تستخدم المصفوفات .length (حقل)، لكن String يستخدم .length() (دالة). فكتابة nums.length() على مصفوفة خطأ تصريف، وكتابة text.length على سلسلة نصية خطأ كذلك. الكلمة نفسها بقواعد مختلفة - والذي يخص المصفوفة بلا أقواس.

التكرار على مصفوفة

تعلّمت حلقة for-each في الصفحة السابقة، وهي أنظف طريقة لقراءة كل عنصر عندما لا تحتاج إلى الفهرس:

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        int[] scores = {82, 91, 73, 88};

        int total = 0;
        for (int score : scores) {
            total += score;
        }

        System.out.println("Total: " + total);
        System.out.println("Average: " + (total / scores.length));
    }
}

وعندما تحتاج إلى الفهرس - لطباعة أرقام المواضع، أو تعديل العناصر في مكانها، أو التكرار رجوعًا - فالجأ إلى حلقة for المفهرسة التقليدية مستخدمًا length حدًّا:

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        String[] names = {"Ada", "Boris", "Chen"};

        for (int i = 0; i < names.length; i++) {
            System.out.println(i + ": " + names[i]);
        }
    }
}

الشرط هو i < names.length، وليس <=. فاستخدام <= يتقدّم خطوة زائدة ويطلق استثناء تجاوز النطاق الوارد في القسم أعلاه. قاعدة سريعة: استخدم for-each حين تقرأ القيم فقط، وحلقة for المفهرسة حين تحتاج إلى الموضع أو تريد الكتابة في المصفوفة.

المصفوفات متعددة الأبعاد

المصفوفة ثنائية الأبعاد هي في الحقيقة مصفوفة من المصفوفات - تخيّلها شبكةً من الصفوف والأعمدة. تضيف زوجًا ثانيًا من الأقواس المربعة:

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        int[][] grid = {
            {1, 2, 3},
            {4, 5, 6}
        };

        System.out.println(grid[0][2]);
        System.out.println(grid[1][0]);

        for (int[] row : grid) {
            for (int value : row) {
                System.out.print(value + " ");
            }
            System.out.println();
        }
    }
}

يختار grid[الصف][العمود] خليةً واحدة. ولأن كل صف مصفوفةٌ بذاته، فإن grid.length هو عدد الصفوف وgrid[0].length هو عدد الأعمدة في الصف الأول. ولا يلزم حتى أن تكون الصفوف بالطول نفسه (يُسمّى ذلك مصفوفة مُسنَّنة)، وإن كانت معظم الشبكات مستطيلة.

فئة الأدوات Arrays

المصفوفات نفسها لا تكاد تملك دوالًّا - فلا يمكنك فرز إحداها أو طباعتها مباشرةً بطريقة مفيدة. توفّر جافا فئة أدوات java.util.Arrays مليئةً بمساعِدات ساكنة لهذا الغرض بالضبط:

import java.util.Arrays;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        int[] nums = {5, 2, 8, 1, 9};

        Arrays.sort(nums);
        System.out.println(Arrays.toString(nums));

        int[] copy = Arrays.copyOf(nums, 7);
        System.out.println(Arrays.toString(copy));

        int found = Arrays.binarySearch(nums, 8);
        System.out.println("Index of 8: " + found);
    }
}

بضعة أمور تعتمد عليها هنا. الدالة Arrays.toString(arr) هي الطريقة الصحيحة لطباعة مصفوفة - فطباعة إحداها مباشرةً تعطيك سلسلةً عديمة الفائدة مثل [I@1b6d3586. والدالة Arrays.sort تفرز في المكان. والدالة Arrays.copyOf هي طريقتك في "تغيير الحجم": إذ تُرجع مصفوفة جديدة بالطول الذي تطلبه، مُكمِّلةً بالقيم الافتراضية (الخانتان الإضافيتان أعلاه قيمتهما 0). والدالة Arrays.binarySearch لا تعمل بشكل صحيح إلا على مصفوفة مفروزة مسبقًا.

المصفوفات مقابل ArrayList

استخدم مصفوفة عادية حين يكون الحجم معروفًا مسبقًا ولن يتغير - مجموعة ثابتة من أيام الأسبوع، لوح لعبة، بيانات بكسلات. المصفوفات سريعة وخفيفة، لكن طولها الثابت قيدٌ حقيقي: لا يمكنك إضافة عنصر سابع إلى مصفوفة طولها 6 دون بناء واحدة جديدة بالكامل.

وفي اللحظة التي تحتاج فيها إلى إضافة العناصر وإزالتها بحرية، تصير المصفوفة غير عملية. ولهذا وُجد ArrayList - قائمة قابلة لتغيير الحجم وللنمو، تتولّى عنك عملية النسخ.

التالي: ArrayList

حين لا تعرف كم عنصرًا سيكون لديك، أو حين يتغير ذلك العدد أثناء تشغيل برنامجك، تقف مصفوفة الطول الثابت عائقًا. والإجابة من جافا هي ArrayList: قائمة تنمو وتنكمش حسب الطلب، بدالّتَي add وremove بدلًا من المناورة بالفهارس. وذلك ما سيأتي تاليًا.