查找 Java 數組中元素的索引

一、概述

在本教程中，我們將通過代碼示例討論使用 Java 的內置 API 和第三方庫查找數組元素索引的各種方法。這對於許多任務都很有用，包括搜索、排序和修改數組。

2. 使用for循環

我們的第一種方法是查找數組中元素索引的最簡單方法之一。這是通過使用for循環。

這個想法是遍歷輸入數組並在每次迭代中檢查元素。如果找到該元素，則返回當前索引。

否則，如果我們找不到數組末尾的元素，我們將返回一個固定的常量值。這個固定值可以是我們事先知道的任何東西。我們用它來表示在數組中找不到該元素。

這些固定常量值的示例有-1 、 Integer.MAX_VALUE 、 Integer.MIN_VALUE等。

首先，讓我們使用這種方法創建一個簡單的方法：

int forLoop(int[] numbers, int target) {
 for (int index = 0; index < numbers.length; index++) {
 if (numbers[index] == target) {
 return index;
 }
 }
 return -1;
 }

我們遍歷輸入numbers數組，然後檢查每個元素。如果找到匹配項，我們將返回當前index值。否則，我們返回-1,表示找不到target 。

現在讓我們用一些示例輸入數據測試我們的forLoop()方法：

@Test
 void givenIntegerArray_whenUseForLoop_thenWillGetElementIndex() {
 int[] numbers = { 10, 20, 30, 40, 50 };
 assertEquals(2, forLoop(numbers, 30));
 }

在這裡，我們正在尋找值30 。 forLoop()方法返回2 ，即輸入數組中的位置。我們必須記住，在 Java 中數組的起始索引是零。

接下來，讓我們尋找一個不在輸入數組中的元素：

@Test
 void givenIntegerArray_whenUseForLoop_thenWillGetElementMinusOneIndex() {
 int[] numbers = { 10, 20, 30, 40, 50 };
 assertEquals(-1, forLoop(numbers, 100));
 }

在這種情況下，我們嘗試搜索數字100.但是，它不存在於我們的數組中。這就是我們的方法返回-1的原因，表明未找到該元素。

3.使用List indexOf()

對於下一個方法，我們將使用List類中的indexOf()方法：

static int listIndexOf(Integer[] numbers, int target) {
 List<Integer> list = Arrays.asList(numbers);
 return list.indexOf(target);
 }

在我們的listIndexOf()方法中，我們傳遞一個Integer數組和一個目標值作為參數。在幕後，我們使用Arrays實用程序類中的asList()方法。此方法將對像數組轉換為相同對像類型的List 。值得注意的是， asList()方法沒有任何原始類型的實現。

輸入數組轉換為列表後，我們使用indexOf()方法查找目標元素的索引。如果目標元素不在列表中，則indexOf()方法返回-1 。

現在，讓我們實施幾個測試用例。在第一個中，目標將在輸入數組中：

@Test
 void givenIntegerArray_whenUseIndexOf_thenWillGetElementIndex() {
 Integer[] numbers = { 10, 20, 30, 40, 50 };
 assertEquals(2, listIndexOf(numbers, 30));
 }

當我們調用listIndexOf()方法時，我們得到索引2 ，即目標數字30.

在第二個測試用例中，目標元素不在輸入數組中：

@Test
 void givenIntegerArray_whenUseIndexOf_thenWillGetElementMinusOneIndex() {
 Integer[] numbers = { 10, 20, 30, 40, 50 };
 assertEquals(-1, listIndexOf(numbers, 100));
 }

在這種情況下，我們得到了預期的結果-1 。

4. 使用rrays binarySearch()

Arrays實用程序類中的另一個有用方法是binarySearch()方法。此方法執行二進制搜索算法。在使用此方法之前必須對輸入數組進行排序。我們可以使用binarySearch()方法來查找排序數組中元素的索引。

讓我們使用binarySearch()方法實現一些測試：

@Test
 void givenIntegerArray_whenUseBinarySearch_thenWillGetElementIndex() {
 int[] numbers = { 10, 20, 30, 40, 50 };
 assertEquals(2, Arrays.binarySearch(numbers, 30));
 }

使用上述代碼中的binarySearch()方法，如果找到目標元素，該方法將返回其索引號。在這種情況下，我們得到索引2 。

但是，如果未找到目標，該方法將返回一個負值。根據 Java 中binarySearch()方法的官方 文檔，這個負值是使用插入點計算的。插入點是鍵在數組中的位置。它的值是第一個大於鍵的元素的索引，如果數組中的所有元素都小於鍵，則為arr.length 。當元素不在數組中時，索引等於(-(insertion point)-1) 。

讓我們對這個負值進行一些測試：

@Test
 void givenIntegerArray_whenUseBinarySearch_thenWillGetUpperBoundMinusIndex() {
 int[] numbers = { 10, 20, 30, 40, 50 };
 assertEquals(-6, Arrays.binarySearch(numbers, 100));
 }

由於100不在數組中，因此該方法返回負值。在這種情況下，返回值為-6 。這是因為數組中的所有元素都小於我們的target 。然後，插入點為5 （數組長度），結果索引為(-5-1) ，即-6 。

另一種情況是當目標元素值介於數組的上限值和下限值之間時：

@Test
 void givenIntegerArray_whenUseBinarySearch_thenWillGetInArrayMinusIndex() {
 int[] numbers = { 10, 20, 30, 40, 50 };
 assertEquals(-2, Arrays.binarySearch(numbers, 15));
 }

在上面的測試用例中，由於 15 是 10 到 50 之間的值，這個數組的邊界值，我們得到索引值-2 。我們得到這個值是因為插入點是1 。因此，結果索引為(-1-1)或-2.

此方法的最後一種情況是目標值不存在且小於數組中的最小值：

@Test
 void givenIntegerArray_whenUseBinarySearch_thenWillGetLowerBoundMinusIndex() {
 int[] numbers = { 10, 20, 30, 40, 50 };
 assertEquals(-1, Arrays.binarySearch(numbers, -15));
 }

在這種情況下，我們得到-1因為我們的目標值小於數組中的最小值。

5. 使用IntStream

在下面的測試代碼中，我們將使用IntStream接口。這個接口是在 Java 8 中引入的。從IntStream接口，我們將使用range()方法。 range()方法生成從 0（含）到arr.length （不含）的有序整數流。

首先，我們將實現一個使用IntStream.range()迭代輸入數組的方法：

static int intStream(int[] numbers, int target) {
 return IntStream.range(0, numbers.length)
 .filter(i -> numbers[i] == target)
 .findFirst()
 .orElse(-1);
 }

range()方法生成的整數表示numbers數組的索引。然後filter()方法檢查索引i處的元素是否等於目標值。如果目標元素不在數組中，則orElse()返回-1 。最後，使用findFirst( )，我們得到第一個等於目標值的元素。

使用我們的intStream()方法，我們可以實現下一個測試用例：

@Test
 void givenIntegerArray_whenUseIntStream_thenWillGetElementIndex() {
 int[] numbers = { 10, 20, 30, 40, 50 };
 assertEquals(2, intStream(numbers, 30));
 }

在我們的測試代碼中，我們調用了我們實現的intStream()方法，我們得到了放置目標元素的索引。如果目標元素不在數組中，那麼我們將得到-1 ；

6.Apache 公共圖書館

至此，我們已經了解了大多數可用於查找數組中元素索引的內置 Java API。但是，我們可以使用第三方庫來查找數組中元素的索引。

Apache Commons Lang 3 是一個有用的第三方庫來完成我們想要的行為。在我們實施測試用例之前，我們需要將Apache Commons Lang 依賴項添加到我們的pom.xml文件中：

<dependency>
 <groupId>org.apache.commons</groupId>
 <artifactId>commons-lang3</artifactId>
 <version>3.12.0</version>
 </dependency>

在我們的測試用例中，我們使用ArrayUtils類中的indexOf()方法。此方法接收一個數組和一個要查找的值作為參數。此外，我們可以傳遞第三個可選參數，即起始索引。

首先，讓我們通過傳遞數組和目標值來測試這個方法：

@Test
 void givenIntegerArray_whenUseApacheCommons_thenWillGetElementIndex() {
 int[] numbers = { 10, 20, 30, 40, 50 };
 assertEquals(2, ArrayUtils.indexOf(numbers, 30));
 }

在上面的測試用例中，我們尋找目標值 30。執行測試後，我們得到期望值2 。

在第二個測試用例中，我們為indexOf()方法傳遞起始索引。我們的目標值與第一個測試相同，起始索引為3 ：

@Test
 void givenIntegerArray_whenUseApacheCommonsStartingFromIndex_thenWillGetNegativeIndex() {
 int[] numbers = { 10, 20, 30, 40, 50 };
 assertEquals(-1, ArrayUtils.indexOf(numbers, 30, 3));
 }

將起始位置設置為3後，我們注意到無法找到目標值，因為indexOf()從數組中的值 40 開始。然後在執行測試後，我們得到一個-1索引，表明該值不在集合中。

七、性能比較

最後，我們將使用算法複雜性分析中的大 O 表示法快速回顧我們解決方案的性能：

方法	複雜性（大O）
	時間	空間
for循環	O(n)	O(1)
List indexOf()	O(n)	O(n)
Arrays binarySearch()	O(log n)	O(1)
IntStream	O(n)	O(1)
Apache Commons indexOf()	O(n)	O(1)

我們見過的所有解決方案都具有O(n)時間複雜度，除了二分查找的情況，其具有O(log n) 。但是，在二分搜索的情況下，輸入數組必須先排序。

在空間複雜度的情況下，所有解決方案都具有O(1)或常數時間複雜度，但listIndexOf()方法的情況除外，即O(n) 。對於後一種方法，空間複雜度來自於將輸入數組轉換為列表。

八、結論

在本文中，我們實現了一些方法來查找 Java 數組中元素的索引。我們使用 Java 內置 API 和 Apache Commons 作為第三方庫。此外，我們對我們的解決方案進行了時空複雜性分析。

在決定在您的應用程序中使用哪一個之前，必須仔細評估這些庫的功能和性能特徵。

與往常一樣，本文中使用的所有代碼片段都可以在 GitHub 上找到。