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Java 2D 数组的创建、输入与90度顺时针旋转实现教程

心靈之曲

发布： 2025-10-01 11:45:33

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Java 2D 数组的创建、输入与90度顺时针旋转实现教程

本教程详细介绍了如何在Java中创建二维数组，通过用户输入填充其元素，并正确地显示数组内容。核心内容是实现二维数组的90度顺时针旋转功能，特别是针对非方形矩阵，通过辅助数组实现转置和列反转，确保旋转逻辑的准确性和通用性，避免了硬编码尺寸和错误的循环边界问题。

在java编程中，二维数组（或矩阵）是常见的数据结构，广泛应用于图像处理、游戏开发和科学计算等领域。本教程将引导读者完成从用户输入创建二维数组，到正确显示其内容，并最终实现90度顺时针旋转的整个过程。我们将重点解决在处理用户输入和矩阵旋转时可能遇到的常见问题，特别是如何正确处理非方形矩阵的旋转。

1. 2D 数组的创建与用户输入

创建二维数组并从用户那里获取输入是处理矩阵数据的第一步。我们需要动态地根据用户提供的行数和列数来定义数组的大小。

import java.util.Scanner;

public class MatrixOperations {

    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(); // 获取行数

        System.out.print("请输入矩阵的列数 (n): ");
        int n = sc.nextInt(); // 获取列数

        // 声明并初始化二维数组
        int[][] array = new int[m][n];

        System.out.println("请输入矩阵的元素:");
        // 使用嵌套循环读取矩阵元素
        for (int i = 0; i < m; i++) {
            for (int j = 0; j < n; j++) {
                System.out.printf("请输入元素 [%d][%d]: ", i, j);
                array[i][j] = sc.nextInt();
            }
        }

        System.out.println("\n原始矩阵:");
        displayMatrix(array); // 显示原始矩阵

        System.out.println("\n矩阵顺时针旋转90度后:");
        int[][] rotatedArray = rotateMatrixClockwise(array); // 旋转矩阵
        displayMatrix(rotatedArray); // 显示旋转后的矩阵

        sc.close();
    }

    /**
     * 显示矩阵内容
     * @param matrix 要显示的矩阵
     */
    public static void displayMatrix(int[][] matrix) {
        for (int i = 0; i < matrix.length; i++) {
            for (int j = 0; j < matrix[i].length; j++) {
                System.out.printf("%4d", matrix[i][j]); // 格式化输出，使对齐
            }
            System.out.println(); // 每行结束后换行
        }
    }

    // 旋转矩阵的方法将在下一节详细介绍
    public static int[][] rotateMatrixClockwise(int[][] matrix) {
        // 占位符，将在下一节实现
        return new int[0][0]; 
    }
}

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在上述代码中，我们首先使用 Scanner 类获取用户输入的行数 m 和列数 n。然后，根据这些尺寸声明并初始化二维数组 array。接着，通过两个嵌套的 for 循环，逐个提示用户输入每个矩阵元素，并将其存储到对应的位置。请注意，为了良好的用户体验，我们增加了提示信息，并使用 printf 格式化输出，使矩阵显示更整齐。

2. 2D 数组的显示

为了验证输入是否正确以及查看旋转后的结果，我们需要一个通用的方法来显示二维数组的内容。displayMatrix 方法就是为此目的设计的。它接收一个二维数组作为参数，并以矩阵的形式打印出来。

    /**
     * 显示矩阵内容
     * @param matrix 要显示的矩阵
     */
    public static void displayMatrix(int[][] matrix) {
        for (int i = 0; i < matrix.length; i++) { // 遍历行
            for (int j = 0; j < matrix[i].length; j++) { // 遍历列
                System.out.printf("%4d", matrix[i][j]); // 使用 %4d 保证每个数字占用4个字符宽度，方便对齐
            }
            System.out.println(); // 每行打印完毕后换行
        }
    }

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此方法遍历矩阵的每一行和每一列，并打印出元素。matrix.length 获取行数，matrix[i].length 获取第 i 行的列数。这种方式确保了即使是锯齿数组（不规则的二维数组）也能正确显示。

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3. 2D 数组的90度顺时针旋转

矩阵的90度顺时针旋转是一个常见的操作。其基本思想是将原始矩阵的行变为新矩阵的列，并且顺序需要反转。对于一个 m x n 的矩阵 A，旋转90度后会变成一个 n x m 的矩阵 B。原始矩阵 A[i][j] 的元素会移动到新矩阵 B[j][(m-1)-i] 的位置。

在实现旋转功能时，一个常见的陷阱是尝试在原数组上进行就地旋转，这对于非方形矩阵来说非常复杂且容易出错。更通用和推荐的方法是创建一个新的辅助数组来存储旋转后的结果。

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    /**
     * 将矩阵顺时针旋转90度
     * @param matrix 原始矩阵
     * @return 旋转90度后的新矩阵
     */
    public static int[][] rotateMatrixClockwise(int[][] matrix) {
        if (matrix == null || matrix.length == 0 || matrix[0].length == 0) {
            return new int[0][0]; // 处理空矩阵或无效矩阵
        }

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

        // 旋转90度后，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];

        // 遍历原始矩阵，将元素放置到旋转后的矩阵的正确位置
        // 原始矩阵的 (i, j) 元素，在新矩阵中位于 (j, originalRows - 1 - i)
        for (int i = 0; i < originalRows; i++) {
            for (int j = 0; j < originalCols; j++) {
                rotatedMatrix[j][originalRows - 1 - i] = matrix[i][j];
            }
        }
        return rotatedMatrix;
    }

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实现思路详解：

确定新矩阵尺寸： 如果原始矩阵是 m x n，则旋转90度后，新矩阵将是 n x m。因此，我们创建 new int[originalCols][originalRows] 的新矩阵。
映射关系： 原始矩阵 matrix[i][j] 中的元素，在旋转后的矩阵 rotatedMatrix 中的位置是 rotatedMatrix[j][originalRows - 1 - i]。
- j 作为新矩阵的行索引：这是因为原始矩阵的列变成了新矩阵的行。
- originalRows - 1 - i 作为新矩阵的列索引：这是因为原始矩阵的行变成了新矩阵的列，并且需要进行反转（从下往上）以实现顺时针旋转。originalRows - 1 是原始矩阵的最后一行索引。

这种方法避免了在原始代码中出现的硬编码尺寸（如 M=4）和错误的循环边界（如 M-4），同时也能正确处理非方形矩阵。

4. 完整示例代码

将以上所有部分整合到一个 MatrixOperations 类中，即可得到一个完整的、可运行的程序。

import java.util.Scanner;

public class MatrixOperations {

    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();

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

        System.out.println("请输入矩阵的元素:");
        for (int i = 0; i < m; i++) {
            for (int j = 0; j < n; j++) {
                System.out.printf("请输入元素 [%d][%d]: ", i, j);
                array[i][j] = sc.nextInt();
            }
        }

        System.out.println("\n--- 原始矩阵 ---");
        displayMatrix(array);

        System.out.println("\n--- 矩阵顺时针旋转90度后 ---");
        int[][] rotatedArray = rotateMatrixClockwise(array);
        displayMatrix(rotatedArray);

        sc.close();
    }

    /**
     * 显示矩阵内容
     * @param matrix 要显示的矩阵
     */
    public static void displayMatrix(int[][] matrix) {
        if (matrix == null || matrix.length == 0 || (matrix.length > 0 && matrix[0].length == 0)) {
            System.out.println("[空矩阵]");
            return;
        }
        for (int i = 0; i < matrix.length; i++) {
            for (int j = 0; j < matrix[i].length; j++) {
                System.out.printf("%4d", matrix[i][j]);
            }
            System.out.println();
        }
    }

    /**
     * 将矩阵顺时针旋转90度
     * @param matrix 原始矩阵
     * @return 旋转90度后的新矩阵
     */
    public static int[][] rotateMatrixClockwise(int[][] matrix) {
        if (matrix == null || matrix.length == 0 || matrix[0].length == 0) {
            return new int[0][0]; // 处理空矩阵或无效矩阵
        }

        int originalRows = matrix.length;
        int originalCols = matrix[0].length;

        int[][] rotatedMatrix = new int[originalCols][originalRows];

        for (int i = 0; i < originalRows; i++) {
            for (int j = 0; j < originalCols; j++) {
                rotatedMatrix[j][originalRows - 1 - i] = matrix[i][j];
            }
        }
        return rotatedMatrix;
    }
}

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注意事项与总结

避免硬编码尺寸： 在处理二维数组时，应始终使用 matrix.length 获取行数，使用 matrix[i].length 获取列数，而不是使用固定的常量，以确保代码的通用性。
清晰的逻辑分离： 将输入、显示和旋转等功能封装在独立的函数中，可以提高代码的可读性和可维护性。
处理非方形矩阵： 90度顺时针旋转对于 m x n 的矩阵会产生一个 n x m 的矩阵。使用辅助数组并根据正确的映射关系 rotatedMatrix[j][originalRows - 1 - i] = matrix[i][j] 是最健壮的实现方式。
输入循环与显示/操作循环： 确保输入循环完全结束后再进行显示或旋转操作。原始问题中将旋转操作放在显示循环内部是错误的，会导致多次旋转和不正确的输出。
内存考虑： 使用辅助数组会增加内存开销，其大小与原始矩阵相同。对于非常大的矩阵，可能需要考虑更复杂的就地旋转算法（通常只适用于方形矩阵）。

通过遵循本教程的指导，您可以有效地在Java中处理二维数组的输入、显示和90度顺时针旋转，并能够应对各种矩阵尺寸的挑战。

以上就是Java 2D 数组的创建、输入与90度顺时针旋转实现教程的详细内容，更多请关注php中文网其它相关文章！