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Java二维数组的用户输入与90度顺时针旋转教程

聖光之護

发布： 2025-10-01 09:52:01

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Java二维数组的用户输入与90度顺时针旋转教程

本教程详细讲解如何在Java中接收用户输入来创建二维数组（矩阵），并实现将该矩阵顺时针旋转90度的功能。我们将探讨矩阵旋转的数学原理，提供一个通用的旋转方法，并结合完整的示例代码，帮助开发者理解和解决非方阵旋转的常见问题，同时强调代码的健壮性和最佳实践。

1. Java二维数组的创建与用户输入

在java中，二维数组本质上是数组的数组。创建并使用用户输入填充二维数组是常见的操作。以下步骤演示了如何实现：

获取矩阵维度： 首先，我们需要从用户那里获取矩阵的行数（m）和列数（n）。
声明与初始化： 根据获取的维度声明并初始化一个二维数组，例如 int[][] array = new int[m][n];。
填充元素： 使用嵌套的 for 循环遍历数组的每一个位置 (i, j)，并通过 Scanner 读取用户输入的整数来填充数组。

以下是实现用户输入和初始矩阵打印的代码片段：

import java.util.Scanner;

public class MatrixRotation {

    public static void main(String[] args) {
        Scanner sc = new Scanner(System.in);

        System.out.print("请输入矩阵的行数 (m): ");
        int m = sc.nextInt();
        System.out.print("请输入矩阵的列数 (n): ");
        int n = sc.nextInt();

        // 验证输入
        if (m <= 0 || n <= 0) {
            System.out.println("行数和列数必须是正整数。");
            sc.close();
            return;
        }

        int[][] originalArray = new int[m][n];

        System.out.println("请输入矩阵的 " + (m * n) + " 个元素:");
        for (int i = 0; i < m; i++) {
            for (int j = 0; j < n; j++) {
                System.out.print("请输入元素 [" + i + "][" + j + "]: ");
                originalArray[i][j] = sc.nextInt();
            }
        }

        System.out.println("\n原始矩阵:");
        printMatrix(originalArray);

        // ... 后续将调用旋转方法
        sc.close();
    }

    /**
     * 辅助方法：打印矩阵
     * @param matrix 要打印的矩阵
     */
    public static void printMatrix(int[][] matrix) {
        if (matrix == null || matrix.length == 0 || matrix[0].length == 0) {
            System.out.println("矩阵为空或无效。");
            return;
        }
        for (int i = 0; i < matrix.length; i++) {
            for (int j = 0; j < matrix[0].length; j++) {
                System.out.printf("%4d", matrix[i][j]); // 格式化输出，保持对齐
            }
            System.out.println();
        }
    }
}

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注意事项：

在原始问题中，打印矩阵的代码可能放置在不正确的位置，导致只显示部分元素。确保在所有元素输入完毕后，再调用一次完整的循环来打印原始矩阵。
添加输入验证，确保用户输入的行数和列数是有效的正整数。

2. 理解矩阵顺时针90度旋转的数学原理

将一个 m x n 的矩阵 A 顺时针旋转90度后，会得到一个 n x m 的新矩阵 B。理解元素位置的映射关系是实现旋转的关键。

假设原始矩阵 A 中的一个元素位于 (i, j)（其中 i 是行索引，j 是列索引）：

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i 的范围是 0 到 m-1。
j 的范围是 0 到 n-1。

经过90度顺时针旋转后，这个元素 A[i][j] 将移动到新矩阵 B 的某个位置 (new_i, new_j)。观察旋转规律，我们可以发现：

原矩阵的列索引 j 变成了新矩阵的行索引 new_i。
原矩阵的行索引 i 变成了新矩阵的列索引 new_j，但需要进行翻转操作。具体来说，原矩阵的第 i 行会变成新矩阵的第 (m - 1 - i) 列。

因此，映射关系为： B[j][m - 1 - i] = A[i][j]

其中：

A 是 m 行 n 列的原始矩阵。
B 是 n 行 m 列的旋转后矩阵。

3. 实现通用的矩阵90度顺时针旋转

基于上述数学原理，我们可以编写一个通用的 rotateMatrix 方法，它接收一个原始矩阵并返回一个旋转后的新矩阵。这种方法适用于任何 m x n 的矩阵，包括非方阵。

public class MatrixRotation {
    // ... (main 方法和 printMatrix 方法如上所示)

    /**
     * 将给定的矩阵顺时针旋转90度。
     *
     * @param originalMatrix 原始矩阵 (m x n)
     * @return 旋转90度后的新矩阵 (n x m)
     */
    public static int[][] rotateMatrix(int[][] originalMatrix) {
        // 1. 处理边界情况：空矩阵或无效矩阵
        if (originalMatrix == null || originalMatrix.length == 0 || originalMatrix[0].length == 0) {
            System.out.println("无法旋转空或无效矩阵。");
            return new int[][]{}; // 返回一个空矩阵
        }

        int originalRows = originalMatrix.length;    // 原始矩阵的行数 m
        int originalCols = originalMatrix[0].length; // 原始矩阵的列数 n

        // 2. 创建新矩阵：旋转后，行数变为原始列数，列数变为原始行数
        int[][] rotatedMatrix = new int[originalCols][originalRows];

        // 3. 遍历原始矩阵，根据旋转规则填充新矩阵
        for (int i = 0; i < originalRows; i++) { // 遍历原始矩阵的每一行
            for (int j = 0; j < originalCols; j++) { // 遍历原始矩阵的每一列
                // 映射关系：originalMatrix[i][j] 移动到 rotatedMatrix[j][originalRows - 1 - i]
                rotatedMatrix[j][originalRows - 1 - i] = originalMatrix[i][j];
            }
        }
        return rotatedMatrix;
    }
}

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4. 完整示例：用户输入、矩阵显示与旋转

将上述所有部分整合到一起，形成一个完整的、可运行的Java程序。

import java.util.Scanner;

public class MatrixRotation {

    public static void main(String[] args) {
        Scanner sc = new Scanner(System.in);

        System.out.print("请输入矩阵的行数 (m): ");
        int m = sc.nextInt();
        System.out.print("请输入矩阵的列数 (n): ");
        int n = sc.nextInt();

        // 验证输入
        if (m <= 0 || n <= 0) {
            System.out.println("行数和列数必须是正整数。");
            sc.close();
            return;
        }

        int[][] originalArray = new int[m][n];

        System.out.println("请输入矩阵的 " + (m * n) + " 个元素:");
        for (int i = 0; i < m; i++) {
            for (int j = 0; j < n; j++) {
                System.out.print("请输入元素 [" + i + "][" + j + "]: ");
                originalArray[i][j] = sc.nextInt();
            }
        }

        System.out.println("\n--- 原始矩阵 ---");
        printMatrix(originalArray);

        // 调用旋转方法
        int[][] rotatedArray = rotateMatrix(originalArray);

        System.out.println("\n--- 顺时针旋转90度后的矩阵 ---");
        printMatrix(rotatedArray);

        sc.close();
    }

    /**
     * 辅助方法：打印矩阵
     * @param matrix 要打印的矩阵
     */
    public static void printMatrix(int[][] matrix) {
        if (matrix == null || matrix.length == 0 || (matrix.length > 0 && matrix[0].length == 0)) {
            System.out.println("矩阵为空或无效。");
            return;
        }
        for (int i = 0; i < matrix.length; i++) {
            for (int j = 0; j < matrix[0].length; j++) {
                System.out.printf("%4d", matrix[i][j]); // 格式化输出，保持对齐
            }
            System.out.println();
        }
    }

    /**
     * 将给定的矩阵顺时针旋转90度。
     *
     * @param originalMatrix 原始矩阵 (m x n)
     * @return 旋转90度后的新矩阵 (n x m)
     */
    public static int[][] rotateMatrix(int[][] originalMatrix) {
        if (originalMatrix == null || originalMatrix.length == 0 || originalMatrix[0].length == 0) {
            // 对于空矩阵或无效矩阵，返回一个适当的空数组或抛出异常
            return new int[][]{};
        }

        int originalRows = originalMatrix.length;    // 原始矩阵的行数 m
        int originalCols = originalMatrix[0].length; // 原始矩阵的列数 n

        // 旋转后，新矩阵的行数是原始矩阵的列数，新矩阵的列数是原始矩阵的行数
        int[][] rotatedMatrix = new int[originalCols][originalRows];

        for (int i = 0; i < originalRows; i++) { // 遍历原始矩阵的每一行
            for (int j = 0; j < originalCols; j++) { // 遍历原始矩阵的每一列
                // 原始元素 (i, j) 映射到新矩阵的 (j, originalRows - 1 - i)
                rotatedMatrix[j][originalRows - 1 - i] = originalMatrix[i][j];
            }
        }
        return rotatedMatrix;
    }
}

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5. 注意事项与最佳实践

输入验证： 始终对用户输入进行验证。本示例中检查了行数和列数是否为正整数，防止创建无效的矩阵。
边界条件： rotateMatrix 方法包含了对空矩阵或无效矩阵的检查，提高了代码的健壮性。
空间复杂度： 本教程提供的通用旋转方法需要创建一个新的矩阵来存储旋转结果，因此其空间复杂度为 O(m*n)，其中 m 和 n 分别是原始矩阵的行数和列数。这是因为旋转后矩阵的维度可能发生变化，无法在原地完成旋转。
原地旋转（In-Place Rotation）： 对于方阵（即 m == n 的矩阵），可以实现原地旋转，而无需额外的 O(m*n) 空间。原地旋转通常涉及两个步骤：
1. 转置： 将矩阵的行和列互换（A[i][j] 变为 A[j][i]）。
2. 反转每一行： 将转置后的矩阵的每一行进行反转。这种方法更节省内存，但只适用于方阵。
代码可读性： 使用有意义的变量名（如 originalRows, originalCols）和注释可以显著提高代码的可读性和可维护性。
资源管理： 使用 Scanner 后，应及时关闭它以释放系统资源，例如 sc.close();。

总结

本教程详细阐述了如何在Java中处理二维数组的用户输入，并实现了一个通用的矩阵90度顺时针旋转功能。我们通过明确的数学映射关系，提供了一个健壮的 rotateMatrix 方法，能够处理任意 m x n 维度的矩阵。通过完整的示例代码和注意事项，读者可以掌握二维数组操作和矩阵旋转的核心概念，并将其应用于实际开发中。

以上就是Java二维数组的用户输入与90度顺时针旋转教程的详细内容，更多请关注php中文网其它相关文章！