項目4空氣質量分析——數組《Java程序設計案例教程（微課版）(第2版)》項目導入

借用Java編寫程序對家鄉的空氣質量進行統計分析，以便更好地了解和監測家鄉空氣質量的變化，從而引起人們關注生態環境變化，并養成環保意識?？諝赓|量指數AQI范圍空氣質量0-50優51-100良101-150輕度污染151-200中度污染201-300重度污染>300嚴重污染學習目標?掌握一維數組的定義、初始化及元素訪問。?掌握一維數組中元素的移動方法。

?掌握一維數組常用的數據排序算法。

?掌握二維數組的定義、初始化及應用。

?樹立數據分析思維，養成良好的環保意識。（素養目標）目錄CONTENTS任務4.1一維數組的定義與初始化任務4.2一維數組元素的訪問任務4.3

數組元素的移動任務4.4一維數組元素的排序任務4.5二維數組的定義與初始化任務4.6二維數組元素的訪問項目實施

空氣質量分析項目實訓

射擊選手的選拔

數組是指一組具有相同數據類型的數據的集合，這些數據可以是基本數據類型，也可以是對象（引用型數據）。

數組中存放的每個數據稱為數組的一個元素，這些元素具有先后順序，元素的數量（個數）稱為數組的長度，數組的長度是在數組創立時就固定了的，以后不能更改。

數組按存放元素的復雜程度可分為一維數組、二維數組、多維數組。習慣上將維數大于2的數組統稱為多維數組。任務4.1一維數組的定義與初始化4.1.1一維數組的定義

一維數組可以直觀地認為是排列成一行或一列的數據列表。要想使用數組，就需要先對數組進行定義，定義數組分為聲明與創建兩步。1．一維數組的聲明一維數組聲明的語法格式如下：

數據類型數組名[];或數據類型[]數組名;說明：數組元素的數據類型可以是Java的任何一種類型。例如：intx[];4.1.1一維數組的定義2．一維數組的創建在為數組分配內存空間時，使用關鍵字new，同時指明數組的長度。為數組分配內存空間的格式如下：數組名=new數據類型[元素個數];例如，對上面聲明的一維數組x分配存儲空間：x=newint[100];也可以把數組的聲明和創建合二為一：intx[]=newint[100]; 4.1.1一維數組的定義第1步聲明一維數組“intx[];”在內存中分配一塊存儲空間給x。內存分布示意圖如圖所示。第2步創建一維數組“x=newint[100];”則是在內存中分配了100個連續的存儲空間，且把首地址給了x，接下來就可以使用變量x引用數組，這時的內存使用狀態如圖所示。圖4-1聲明數組x的內存示意圖圖4-2創建數組x的內存示意圖4.1.2一維數組的初始化數組初始化指的是在定義數組時同時為各元素賦初值。例如：intx[]={3,5,7,9,11};或intx[]=newint[]{3,5,7,9,11};則數組x的內存分布示意圖如圖所示。此時數組的長度由數據元素自動確定。圖

數組x的內存分布示意圖任務實踐4-1定義指定長度的數組【任務描述】接收用戶輸入的某班學生的Java考試成績，人數由用戶輸入指定。【任務分析】1.通過Scanner創建輸入對象從鍵盤讀入人數。2.用人數作為數組的長度定義一維數組。3.讀入該班的Java考試成績。目錄CONTENTS任務4.1一維數組的定義與初始化任務4.2一維數組元素的訪問任務4.3

數組元素的移動任務4.4一維數組元素的排序任務4.5二維數組的定義與初始化任務4.6二維數組元素的訪問項目實施

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射擊選手的選拔4.2一維數組元素的訪問數組中的每個元素通過下標來引用，格式為：數組名[下標值]下標值從0開始，最大的下標是“數組長度-1”。在Java中，為了方便獲得數組的長度，提供了一個length屬性，在程序中通過“數組名.length”來獲得數組的長度，即元素個數。借用下標可以逐一訪問數組中的全部元素，即對數組進行遍歷。圖4-3數組x的內存分布示意圖4.2.1一維數組元素的訪問【例】數組x中保存著一批整數，請按順序輸出所有的元素。publicclassExample4_1{publicstaticvoidmain(String[]args){intx[]={3,1,5,8,9,11,42,15};for(inti=0;i<x.length;i++)System.out.print(x[i]+"\t");}}【例題分析】對于數組中的元素進行訪問，可以借用下標法實現：x[索引]，下標的變化范圍：0,1,2，…，x.length-1，是非常有規律的，為此可以借用循環來實現元素訪問。【程序實現】4.2.2數組元素的查找借用一維數組，可以非常方便地處理具有相同數據類型的數據，對數組中的元素常規的操作包括：增、刪、改、查。1．普通查找【例】在數組中查找給定的值x是否存在，如果存在，請提示它在數組中出現的位置?！纠}分析】在數組a中查找x，就需要對數組進行遍歷訪問，按照順序查找，將數組的每一個元素與x進行對比。如果數組中存在值為x的元素，則其對應的下標為：0-a.length-1，為此定義一個輔助變量index，并賦初值-1，用index來記錄x出現的位置。publicclassExample4_2{publicstaticvoidmain(String[]args){inta[]={4,2,7,8,1,9,2,8};intx=7;intindex=-1;for(inti=0;i<a.length;i++)if(a[i]==x)index=i;if(index==-1)System.out.println("數組中沒有值為"+x+"的元素");elseSystem.out.println("數組中第"+(index+1)+"個數是"+x);}}【程序實現】4.2.2數組元素的查找2．最值問題【例】輸入10個整數，查找其中的最大值?！纠}分析】批量數據的最值查找方法，一般都是假設第一個值為最大值，把它存放在一個第三方的變量max中，然后將max與后面的元素逐一比較大小，如果有一個元素的值比max中保存的值大了，則更新max中的值，最后max中存放的即為數組中的最大值。4.2.2

數組元素的查找importjava.util.Scanner;publicclassExample4_3{publicstaticvoidmain(String[]args){inta[]=newint[10];Scannerinput=newScanner(System.in);System.out.println("請輸入10個整數");for(inti=0;i<10;i++){a[i]=input.nextInt();}intmax=a[0];for(inti=1;i<a.length;i++)if(max<a[i])max=a[i];System.out.println("最大值為："+max);}}【程序實現】4.2.2數組元素的查找最值查找問題擴展（1）輸入10個整數，查找其中的最大值，并顯示第幾個是最大值。4.2.2數組元素的查找……//省略代碼，讀入數據，存入數組aintmaxi=0;for(inti=1;i<a.length;i++)if(a[maxi]<a[i])maxi=i;System.out.println("第"+(maxi+1)+"個值最大值，為："+a[maxi]);最值查找問題擴展4.2.2數組元素的查找（2）借用自定義方法實現查找最大值及其位置。staticintfindMax(inta[]){intj=0;for(inti=1;i<a.length;i++) if(a[j]<a[i]) j=i;returnj;}精益求精，一個需求多種解決方案！任務實踐4-2數組元素的訪問－中文大寫數字對照【任務描述】接收用戶輸入的數字0-10，輸出其對應的中文大寫數字。如用戶輸入：3。程序輸出顯示：叁?！救蝿辗治觥?.

用一維數組保存0-10對應的中文大寫數字。2.

通過Scanner創建輸入對象從鍵盤讀入數字。3.

從數組中查找對應的大寫并輸出。任務實踐4-3知識競賽隨機選人【任務描述】張思睿班要進行一次環保知識競賽，為調動現場活動氣氛他決定寫一個隨機選人的程序，每次從班級中隨機選取一人回答問題?！救蝿辗治觥拷栌靡痪S數組names保存全班同學的名字，使用Math.random()生成一個數組names的隨機下標。根據下標訪問數組names中的元素，即可隨機選取一位同學?！救蝿彰枋觥快巢瞧鯏盗校‵ibonaccisequence），又稱為黃金分割數列，指的是這樣一個數列：1、1、2、3、5、8、13、21、34……在數學上，斐波那契數列以遞推的方法定義：F(1)=1，F(2)=1，F(n)=F(n-1)+F(n-2)（n≥3，n∈N*）。請編寫程序，輸出顯示數列的前20項數據，每5個數一行?！救蝿辗治觥拷栌靡粋€長度為20的數組f來產生并保存這20個數據項。其中f[0]=1、f[1]=1,下標為2及以上的數組元素可以遞推得出：f[i]=f[i-1]+f[i-2]。任務實踐4-3知識競賽隨機選人【任務描述】斐波那契數列（Fibonaccisequence），又稱為黃金分割數列，指的是這樣一個數列：1、1、2、3、5、8、13、21、34……在數學上，斐波那契數列以遞推的方法定義：F(1)=1，F(2)=1，F(n)=F(n-1)+F(n-2)（n≥3，n∈N*）。請編寫程序，輸出顯示數列的前20項數據，每5個數一行?！救蝿辗治觥拷栌靡粋€長度為20的數組f來產生并保存這20個數據項。其中f[0]=1、f[1]=1,下標為2及以上的數組元素可以遞推得出：f[i]=f[i-1]+f[i-2]。任務實踐4-4生成斐波那契數列【任務描述】青年歌手參加的歌手大賽有一個評委評分環節，假設有10個評委評分（滿分為100分），去掉一個最高分、去掉一個最低分后，剩余8個評分的平均分即為該歌手的最后得分，編寫程序求某歌手的得分。【任務分析】多個評委的評分可以借助一維數組保存，首先求所有評分的總和，再減去最高分、最低分，然后除以有效評分的個數，即可得到該歌手的得分。任務實踐4-5歌手大賽評分程序目錄CONTENTS任務4.1一維數組的定義與初始化任務4.2一維數組元素的訪問任務4.3

數組元素的移動任務4.4一維數組元素的排序任務4.5二維數組的定義與初始化任務4.6二維數組元素的訪問項目實施

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射擊選手的選拔數組在內存中占用一塊連續的存儲空間進行存放，有時需要在數組中進行數據元素的插入與刪除，為此需要將一批數據進行前移或后移，從而達到插入和刪除的目的。任務4.3數組元素的移動1．數據的刪除【例】將數組中值為x的元素進行刪除，并輸出刪除后的數組。【例題分析】假設某一時刻數組中存放的數據如下圖所示，數組中共包含5個有效數據?，F要將值為5的元素刪除，為此需要將后面的兩個元素往前移動，覆蓋掉要刪除的元素即可，刪除后的數組中包含4個有效數據。32519321993211932199原始數組元素前移元素前移刪除后數組元素前移a[j]=a[j+1]5a[3]a[2]a[4]a[3]任務4.3數組元素的移動publicclassExample4_5{publicstaticvoidmain(String[]args){inta[]={3,2,5,1,9};intx=5;intn=5; //n中存放數組中的有效數據個數intindex=-1;for(inti=0;i<n;i++) //在數組中查找值為x的元素if(a[i]==x)index=i;if(index==-1)System.out.println("數組中沒有值為"+x+"的元素，刪除失敗");else{for(intj=index;j<n-1;j++)//將x之后的數據前移覆蓋掉xa[j]=a[j+1];n--;System.out.println("已將數組中值為"+x+"的元素刪除");}System.out.println("數組中的數據：");for(inti=0;i<n;i++)System.out.print(a[i]+"\t");}}【程序實現】任務4.3數組元素的移動數據刪除的擴展思考：測試刪除數據位于數組的首尾，能否刪除成功？養成測試的習慣！思考：測試數組中存在多個要刪除的，能否刪除成功？如果待刪除的多個數據相鄰該怎么刪除？32559325993255932599原始數組元素前移元素前移刪除后5任務4.3數組元素的移動//同前面的例題for(inti=0;i<n;i++)//在數組中查找值為x的元素 if(a[i]==x){ index=i; for(intj=index;j<n-1;j++)//將x之后的數據前移覆蓋掉x a[j]=a[j+1]; i--; n--; }if(index==-1) System.out.println("數組中沒有值為"+x+"的元素,刪除失敗");else{System.out.println("已將數組中值為"+x+"的元素刪除");}【刪除多個相鄰元素的關鍵代碼】任務4.3數組元素的移動2.數據的插入【例題】數組a中存放著一批升序排列的數據，請將值為x的元素進行插入，并保證插入x后數組中的元素仍按升序排列?！纠}分析】假設數組a中原始數據的存放如圖所示，有效數據位數為5。插入值為2的元素，插入后的有效數據位數為6。135790135579135799135779原始數組元素后移元素后移元素后移數組元素后移a[j]=a[j]x=2133579元素后移插入x32a[4]a[5]a[4]a[3]a[3]a[2]a[2]a[1]任務4.3數組元素的移動publicclassExample4_6{publicstaticvoidmain(String[]args){ inta[]={1,3,5,7,9,0}; int

n=5;//數組a中存放的有效數據的位數 intx=2; inti; for(i=n-1;i>=0;i--)//從最后一個有效數據位置開始，邊后移邊查找x插入的合適位置 if(a[i]>x) a[i+1]=a[i]; elsebreak; a[i+1]=x;//插入x n++; System.out.println("數組a中的數據："); for(i=0;i<n;i++) System.out.print(a[i]+"\t"); }}【程序實現】嚴謹細致精益求精任務4.3數組元素的移動任務實踐4-6數據清洗【任務描述】數據清洗是數據預處理的重要步驟，它有助于消除數據中的噪音和錯誤，從而為后續的數據分析和處理提供高質量的數據基礎。本任務對某班的Java考試成績進行數據清洗，去除無效數據（負數），以確保數據的準確性?！救蝿辗治觥勘闅v存放成績的數組，識別是否有效數據，去除無效數據。任務實踐4-7數據的逆序存放【任務描述】在圖形處理的算法中，經常需要對圖形數據進行逆序存放，以實現特定的效果。例如鏡像處理、翻轉等?，F在數組a定義如下：int

a[]={1,2,3,4,5,6,7}，請編寫程序將其中保存的數據逆序存放，變成{7,6,5,4,3,2,1}。【任務分析】對數組中的元素進行移動，將首和尾對稱的數據交換即可實現。目錄CONTENTS任務4.1一維數組的定義與初始化任務4.2一維數組元素的訪問任務4.3

數組元素的移動任務4.4一維數組元素的排序任務4.5二維數組的定義與初始化任務4.6二維數組元素的訪問項目實施

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射擊選手的選拔對數組中的數據除了進行基本的増、刪、查、改操作外，有時還需要對數據進行排序。下面來介紹兩種比較常見的排序：選擇排序和冒泡排序，并介紹使用Java的API——Arrays.sort()進行數據排序的方法。任務4.4一維數組元素的排序1．選擇排序選擇排序（SelectionSort）是一種簡單直觀的排序算法。它的工作原理是：第一次從待排序的數據元素中選出最小（或最大）的一個元素，存放在序列的起始位置，再從剩余的未排序元素中尋找到最?。ù螅┰?，然后放到已排序的序列的末尾。以此類推，直到全部待排序的數據元素的個數為零?！纠繑到Ma中存放著一批數據(2,8,1,6,7)，請采用選擇排序對其進行升序排列?！纠}分析】第1趟排序排序結果：1,8,2,6,7第2趟排序排序結果：1,2,8,6,7第3趟排序排序結果：1,2,6,8,7第4趟排序排序結果：1,2,6,7,8至此，排序結束。任務4.4一維數組元素的排序選擇排序的動畫展示publicclassExample4_7{publicstaticvoidmain(String[]args){inta[]={2,8,1,6,7};for(inti=0;i<a.length-1;i++){intp=i;for(intj=i+1;j<a.length;j++)if(a[p]>a[j])p=j;if(p!=i){intt=a[i];a[i]=a[p];a[p]=t;}System.out.print("\n第"+(i+1)+"趟排序結果：");for(intk=0;k<a.length;k++)System.out.print(a[k]+"");}}【程序實現】任務4.4一維數組元素的排序2．冒泡排序在冒泡排序的過程中，不斷地比較數組中相鄰兩個元素的大小，較小者向上浮，較大者往下沉，整個過程猶如水中氣泡上升的情景?！纠繑到Ma中存放著一批數據(9,7,5,8,4)，請采用冒泡排序對其進行升序排列。任務4.4一維數組元素的排序圖4-10數組a冒泡排序的第三趟排序過程圖4-11數組a冒泡排序的第四趟排序過程圖4-8數組a冒泡排序的第一趟排序過程圖4-9數組a冒泡排序的第二趟排序過程任務4.4一維數組元素的排序冒泡排序的動畫展示任務4.4一維數組元素的排序對數組a中的n個數據排序，需要經過n-1趟排序過程，分析排序的過程，可以發現以下規律。第i趟排序元素比較的次數15-1=425-2=335-3=245-4=1任務4.4一維數組元素的排序publicstaticvoidbubbleSort(int[]a){//定義對數組冒泡排序的方法intn=a.length;for(inti=1;i<n;i++){for(intj=0;j<n-i;j++){if(a[j]>a[j+1]){ //比較相鄰元素inttemp=a[j];a[j]=a[j+1];a[j+1]=temp;}}System.out.print("第"+i+"輪排序后：");

}}【程序實現】任務4.4一維數組元素的排序3.借助Arrays.sort()進行排序任務4.4一維數組元素的排序java.util包提供了Arrays類，該類提供了很多常用的方法來操作數組，如對數組進行排序、查詢等。排序的語法格式如下：Arrays.sort(數組名);importjava.util.Arrays;publicclassExample4_8{publicstaticvoidmain(String[]args){int[]a={9,7,5,8,4};Arrays.sort(a);System.out.println("升序排列后：");for(inttemp:a)System.out.print(temp+"\t");}}【任務描述】為了激勵更多的同學積極參與健身運動，張思睿想編寫一個程序來獲取大家每天3名的運動步數，并在公告欄中公布他們的成績，以此夠激勵更多的同學積極參與運動，促進健康的校園生活?！救蝿辗治觥拷栌靡痪S數組保存參與者的運動步數，使用上面的任意一種排序方法對運動步數排名，選取前三名即可。任務實踐4-8運動大排名目錄CONTENTS任務4.1一維數組的定義與初始化任務4.2一維數組元素的訪問任務4.3

數組元素的移動任務4.4一維數組元素的排序任務4.5二維數組的定義與初始化任務4.6二維數組元素的訪問項目實施

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射擊選手的選拔多維數組元素有多個下標，以標識它在數組中的位置，二維數組可以看成是以一維數組為元素的數組。4.5.1二維數組的定義二維數組的定義與一維數組的定義相似，分為數組的聲明與創建兩步。1．二維數組的聲明二維數組的聲明有下列幾種方式。數據類型數組名[][];例如：inta[][];數據類型[][]數組名;例如：int[][]a;2．內存分配為二維數組分配內存空間的格式如下：數組名=new數據類型[元素個數1][元素個數2];例如：a=newint[3][4];數組a在內存中占用的內存分配示意圖如圖4-12所示。另外，定義的二維數組中每一維的大小可不同。例如：inta[][]={{8,1,6},{3,5},{4,7,8,9}};其在內存中的存儲結構如圖

所示。4.5.1二維數組的定義圖

二維數組a的內存分布示意圖

或者intb[][]=newint[3][]; //在創建數組時僅確定了一維維數b[0]=newint[3]; //指定第二維的維數b[1]=newint[4];b[2]=newint[5];4.5.2二維數組的靜態初始化圖

二維數組b的內存分布示意圖二維數組初始化比一維數組要復雜些，不過方式與一維的類似。例如：int[][]s={{8,1,6},{3,5},{4,7,8,9}};圖4-12二維數組a的內存分布示意圖4.5.2二維數組的靜態初始化目錄CONTENTS任務4.1一維數組的定義與初始化任務4.2一維數組元素的訪問任務4.3

數組元素的移動任務4.4一維數組元素的排序任務4.5二維數組的定義與初始化任務4.6二維數組元素的訪問項目實施

空氣質量分析項目實訓

射擊選手的選拔二維數組的元素通過兩個索引進行訪問，分別是行數組索引和列數組索引，例如，對于二維數組a，可通過a[i][j]進行訪問，其中i和j為數組a的索引。二維數組行數組的長度可通過a.length獲取，列數組的長度可通過a[i].length獲取。二維數組元素的引用格式如下：數組名[索引1][索引2];例如：s[1][2];任務4.6二維數組元素的訪問publicclassExample4_10{publicstaticvoidmain(String[]args){inta[][]={{6,5},{3,5,7,3},{4,2,2}};for(inti=0;i<a.length;i++){for(intj=0;j<a[i].length;j++)System.out.print(a[i][j]+"\t");System.out.println();}}}【例】某二維數組a中存放著數據inta[][]={{6,5},{3,5,7,3},{4,2,2}}，請編寫程序實現將該二維數組中的數據按行輸出顯示?！境绦驅崿F】任務4.6二維數組元素的訪問任務實踐4-9矩陣的轉置【任務描述】矩陣轉置是一種常見的線性代數操作，它將矩陣的行和列互換，即將矩陣的第i行變成第i列，第j列變成第j行。矩陣轉置在在神經網絡和深度學習、圖像處理等數學、工程、計算機科學等領域都有著廣泛的應用。請編寫程序實現將二維數組a中保存的矩陣(行和列的維度相等）進行轉置?！救蝿辗治觥繉τ谝话愕木仃囖D置，我們需要定義一個新的二維數組。如果數組a中包含m行n列，則需要定義一個數組b，包含n行m列。然后將數組a中的元素a[i][j]復制到數組b的b[j][i]中即可。本任務中的二維數組a中保存的矩陣的行和列相等，為節省內存空間避免定義一個新的二維數組，我們可對二維數組a中的數據進行交換，以矩陣的對角線為分界線，將下三角的數據與上三角的數據進行交換，即交換a[i][j]和a[j][i]。任務實踐4-10多門課考試成績的統計【任務描述】某班級的考試成績如表4-4所示，請采用二維數組保存這些數據，并計算：（1）全班所有科目的平均分；（2）每位學生的平均分。序號科目Java數據庫Web前端大學英語大學語文19968978856289958859643897999586745979856885【任務分析】多門課的成績可以借助二維數組進行存儲，每一個行數組為一位學生的成績列表。全班的平均分為數組中全部數據的平均值。每位同學的平均分為每一個行數組中數據的平均值。任務實踐4-11楊輝三角形【任務描述】我國南宋數學家楊輝所著的《詳解九章算法》中提出了用于表示二項式展開后的系數構成的三角圖形，稱為“開方做法本源”，簡稱為“楊輝三角形”。這比法國數學家帕斯卡發現的相同規律的“帕斯卡三角形”早300多年。楊輝三角形是中國數學史上的偉大成就之一。楊輝三角形的第i+1行是(a+b)i的展開式的系數。下面給出了楊輝三角形的前4行的一種顯示格式：11

11

2

11

3

3

1請通過Java程序實現接收用戶輸入的行數n，輸出楊輝三角形的前n行。樣例輸入：4樣例輸出：11

11

2

11

3

3

1任務實踐4-14楊輝三角形【任務分析】楊輝三角形的數字顯示是由多行和多列組成的，為此可以借用前面所學的二維數組存放這些數字。觀察楊輝三角形還會發現以下規律。（1）第n行有n個數字。（2）每一行的開始和結尾數字都為1，用二維數組的元素表示為a[i][0]=1、a[i][j]=1（當i==j時）。（3）第i行的第j個數字等于第i-1行的第j個數字加上第i-1行的第j-1個數字，用二維數組的元素表示為a[i][j]=a[i-1][j]+a[i-1][j-1]。目錄CONTENTS任務4.1一維數組的定義與初始化任務4.2一維數組元素的訪問任務4.3

數組元素的移動任務4.4一維數組元素的排序任務4.5二維數組的定義與初始化任務4.6二維數組元素的訪問項目實施

空氣質量分析項目實訓

射擊選手的選拔項目實施項目分析通過訪問中國空氣質量在線監測分析平臺獲取A城市的空氣質量指標AQI值。為將A城市一年的AQI數據“存”起來我們可使用一維數組，保存最近三年的數據可使用二維數組，然后對數組中的數據進行訪問即可實現空氣質量的統計與分析。項目實施項目實施關鍵代碼如下：//計算過去一年空氣質量指標AQI的平均值doubleAQI[]={111,75,122,76,84,83,65,76,68,73,78,82};doublesum=0;for(inti=0;i<AQI.length;i++) sum+=AQI[i];doubleavg=sum/AQI.length;System.out.printf("A市2023年的AQI平均值為:%.2f\n",avg);項目實施項目實施關鍵代碼如下：//查找空氣質量最好和最差的月份intmaxi=0,mini=0;for(inti=1;i<AQI.length;i++){ i