《Java 简易速速上手小册》第3章：Java 数据结构（2024 最新版）

3.1 数组和字符串 - 数据的基本营地

在 Java 的世界中，数组和字符串是处理数据的基础。它们像是你的数据小队的营地，为你的编程之旅提供了起点。让我们更深入地了解这些基础结构，并通过一些实用的案例来探索它们的力量。

3.1.1 基础知识

• 数组：数组是相同类型数据的有序集合。在 Java 中，数组的大小在声明时确定，并且不能更改。你可以通过索引（从 0 开始）访问数组中的每个元素。

int[] numbers = new int[5]; // 声明一个整型数组，包含 5 个元素
numbers[0] = 1; // 给数组的第一个元素赋值

• 字符串：字符串是字符的序列，Java 中的 String 类提供了丰富的方法来操作这些字符序列。字符串在 Java 中是不可变的，这意味着一旦创建，你就不能改变它们。

String greeting = "Hello, World!"; // 创建一个字符串

3.1.2 重点案例：统计文本中的单词频率

假设我们要分析一段文本，统计其中每个单词出现的频率。这个任务可以通过数组和字符串操作来完成。

import java.util.HashMap;
import java.util.Map;

public class WordFrequency {
    public static void main(String[] args) {
        String text = "Hello world. Hello Java. Hello Java World.";
        text = text.toLowerCase().replaceAll("[^a-z ]", ""); // 转小写并移除标点符号
        String[] words = text.split(" "); // 使用空格分割字符串成单词数组

        Map<String, Integer> frequencyMap = new HashMap<>();
        for (String word : words) {
            frequencyMap.put(word, frequencyMap.getOrDefault(word, 0) + 1);
        }

        frequencyMap.forEach((key, value) -> System.out.println(key + ": " + value));
    }
}

3.1.3 拓展案例 1：寻找数组中的最大元素

在一组数据中寻找最大元素是一个常见的任务，可以通过遍历数组来实现。

public class FindMax {
    public static void main(String[] args) {
        int[] numbers = {5, 3, 8, 2, 9, 1};
        int max = numbers[0]; // 假设第一个元素是最大的

        for (int number : numbers) {
            if (number > max) {
                max = number; // 找到更大的元素
            }
        }

        System.out.println("The maximum number is: " + max);
    }
}

3.1.4 拓展案例 2：反转字符串

字符串的反转是许多算法和面试题中的常见问题。在 Java 中，我们可以使用 StringBuilder 类来实现这个功能，因为 String 是不可变的。

public class ReverseString {
    public static void main(String[] args) {
        String original = "Hello, World!";
        String reversed = new StringBuilder(original).reverse().toString();

        System.out.println("Original: " + original);
        System.out.println("Reversed: " + reversed);
    }
}

通过这些案例，我们可以看到数组和字符串如何作为处理数据的基本工具，在 Java 编程中发挥着重要的作用。从统计单词频率到寻找最大元素，再到反转字符串，掌握这些基础技能将为你解决更复杂的问题打下坚实的基础。继续前进，实践这些案例，你将会发现更多有趣和实用的数据处理技巧！

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3.2 集合框架概述 - 数据小队的训练场

Java 集合框架（JCF）是一套性能优异的类和接口，它提供了一种高效地存储和处理数据集合的方式。想象你正在指挥你的数据小队在训练场上进行训练，集合框架就是你的训练手册，告诉你如何组织和操作这些数据。

3.2.1 基础知识

• List：List 接口允许我们存储一个有序的集合，可以包含重复的元素。它是一个动态数组，可以增长和缩小。ArrayList 和 LinkedList 是两个实现了 List 接口的常用类。

• Set：Set 接口提供了存储唯一元素的方式，即不允许重复的元素。HashSet 和 TreeSet 是两个常用的实现了 Set 接口的类。

• Map：Map 接口使用键值对的方式存储数据。每个键映射到一个值。键不能重复，但值可以。HashMap 和 TreeMap 是两个实现了 Map 接口的常用类。

3.2.2 重点案例：学生信息管理系统

在一个学生信息管理系统中，我们需要存储和管理每个学生的信息，包括姓名、学号和成绩。我们可以使用 Map 来实现这个系统，其中学号作为唯一的键，学生信息作为值。

import java.util.HashMap;
import java.util.Map;

class Student {
    String name;
    double grade;

    public Student(String name, double grade) {
        this.name = name;
        this.grade = grade;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "Student{name='" + name + '\'' + ", grade=" + grade + '}';
    }
}

public class StudentManagement {
    public static void main(String[] args) {
        Map<String, Student> students = new HashMap<>();
        students.put("S001", new Student("Alice", 89.5));
        students.put("S002", new Student("Bob", 92.0));
        students.put("S003", new Student("Charlie", 85.5));

        students.forEach((id, student) -> System.out.println(id + ": " + student));
    }
}

3.2.3 拓展案例 1：任务调度器

在一个任务调度器中，我们需要管理和调度一系列的任务。我们可以使用 PriorityQueue 来实现这个系统，优先调度重要性高的任务。

import java.util.PriorityQueue;

class Task implements Comparable<Task> {
    String name;
    int priority;

    public Task(String name, int priority) {
        this.name = name;
        this.priority = priority;
    }

    @Override
    public int compareTo(Task other) {
        return Integer.compare(other.priority, this.priority); // 高优先级先出队
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "Task{name='" + name + '\'' + ", priority=" + priority + '}';
    }
}

public class TaskScheduler {
    public static void main(String[] args) {
        PriorityQueue<Task> tasks = new PriorityQueue<>();
        tasks.offer(new Task("Fix bug", 5));
        tasks.offer(new Task("Write documentation", 1));
        tasks.offer(new Task("Implement feature", 10));

        while (!tasks.isEmpty()) {
            System.out.println("Processing " + tasks.poll());
        }
    }
}

3.2.4 拓展案例 2：产品库存管理

在一个电商平台的库存管理系统中，我们需要跟踪每个产品的库存数量。我们可以使用 Map 来存储产品 ID 和对应的库存数量。

import java.util.HashMap;
import java.util.Map;

public class InventoryManagement {
    public static void main(String[] args) {
        Map<String, Integer> inventory = new HashMap<>();
        inventory.put("P001", 100); // 产品 ID 为 P001 的产品有 100 件库存
        inventory.put("P002", 200);
        inventory.put("P003", 150);

        // 增加库存
        inventory.put("P001", inventory.get("P001") + 50);

        inventory.forEach((productId, quantity) ->

 System.out.println("Product ID: " + productId + ", Quantity: " + quantity));
    }
}

通过这些案例，我们可以看到 Java 集合框架在实际生产中的强大用途。从管理学生信息到任务调度，再到库存管理，JCF 提供了一套灵活且强大的工具，帮助你高效地组织和操作数据集合。掌握这些集合类和接口将大大提高你的 Java 编程效率。

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3.3 泛型和迭代器 - 数据小队的特种兵

在 Java 的数据管理军团中，泛型和迭代器是那些特别训练过的特种兵，它们提供了额外的灵活性和力量，使得数据操作更加高效和安全。

3.3.1 基础知识

• 泛型（Generics）：泛型提供了代码的类型安全性，允许在编译时检查类型错误。它们使得你可以编写可以应用于多种类型的通用代码，而不是为每种需要操作的数据类型编写重复的代码。

List<String> strings = new ArrayList<>(); // 使用泛型创建字符串列表
strings.add("Java");
// strings.add(123); // 编译时错误，保证了类型安全

• 迭代器（Iterator）：迭代器提供了一种遍历集合中元素的标准方式，无需关心集合的内部结构。它支持 hasNext() 和 next() 操作，用于检查集合中是否还有元素，以及访问下一个元素。

Iterator<String> iterator = strings.iterator();
while(iterator.hasNext()) {
    String str = iterator.next();
    System.out.println(str);
}

3.3.2 重点案例：通用数据容器

假设我们需要创建一个通用的数据容器，它可以存储任何类型的数据，并提供遍历这些数据的能力。我们可以使用泛型来定义这个容器，以及迭代器来遍历容器中的数据。

class DataContainer<T> implements Iterable<T> {
    private List<T> data = new ArrayList<>();

    public void add(T element) {
        data.add(element);
    }

    @Override
    public Iterator<T> iterator() {
        return data.iterator();
    }
}

public class GenericDemo {
    public static void main(String[] args) {
        DataContainer<String> stringContainer = new DataContainer<>();
        stringContainer.add("Hello");
        stringContainer.add("World");

        for (String str : stringContainer) {
            System.out.println(str);
        }
    }
}

3.3.3 拓展案例 1：键值对存储

在许多应用中，我们需要存储键值对数据。我们可以创建一个通用的键值对类，并使用泛型来定义键和值的类型。

class KeyValuePair<K, V> {
    private K key;
    private V value;

    public KeyValuePair(K key, V value) {
        this.key = key;
        this.value = value;
    }

    public K getKey() {
        return key;
    }

    public V getValue() {
        return value;
    }
}

public class KeyValuePairDemo {
    public static void main(String[] args) {
        KeyValuePair<String, Integer> ageOfPerson = new KeyValuePair<>("Alice", 30);
        System.out.println(ageOfPerson.getKey() + ": " + ageOfPerson.getValue());
    }
}

3.3.4 拓展案例 2：类型安全的交换函数

在进行数据处理时，我们经常需要交换两个元素的位置。我们可以编写一个使用泛型的交换函数，以确保我们可以安全地交换同一类型的两个元素。

public class SwapDemo {
    public static <T> void swap(T[] array, int pos1, int pos2) {
        T temp = array[pos1];
        array[pos1] = array[pos2];
        array[pos2] = temp;
    }

    public static void main(String[] args) {
        Integer[] numbers = {1, 2, 3, 4, 5};
        swap(numbers, 1, 3); // 交换位置 1 和位置 3 的元素
        System.out.println(Arrays.toString(numbers));
    }
}

通过这些案例，我们可以看到泛型和迭代器如何增强 Java 程序的灵活性和类型安全性。泛型让我们可以编写可重用且类型安全的代码，而迭代器则提供了一种标准的方法来遍历集合中的数据。掌握这些特种兵的技能将使你在处理复杂数据时更加得心应手。继续前进，勇敢地使用这些工具来解决你面临的编程挑战吧！