Java 学习（四）集合框架与异常处理

news2024/12/21 18:20:21

在 Java 编程中，集合框架和异常处理机制是开发高效、健壮程序的两个关键部分。掌握这两个方面的知识，能够大大提高代码的质量和可维护性。本篇博客将深入探讨 Java 集合框架和异常处理机制的核心概念，并结合实际案例，帮助你更好地理解和应用这些技术。

1. Java 集合框架

Java 提供了丰富的集合类和接口，用于存储、操作和处理大量的数据。集合框架分为两大类：集合（Collection）和映射（Map）。每类集合有多种实现类，各具特点。

1.1 集合的分类

Java 集合框架的核心接口分为以下几类：

Collection 接口：集合框架的根接口，所有集合类都实现了这个接口。
- List：有序的集合，允许重复元素，支持按索引访问。常见实现：ArrayList、LinkedList。
- Set：无序的集合，不允许重复元素。常见实现：HashSet、TreeSet。
- Queue：队列，通常用于实现先进先出（FIFO）的数据结构。常见实现：LinkedList、PriorityQueue。
Map 接口：用于存储键值对（key-value），每个键唯一，值可以重复。常见实现：HashMap、TreeMap、LinkedHashMap。

1.2 List 接口与其实现类

List 是一个有序集合，允许元素重复。常见的实现类有 ArrayList 和 LinkedList。

示例：使用 ArrayList

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

public class ListExample {
    public static void main(String[] args) {
        List<String> fruits = new ArrayList<>();
        fruits.add("Apple");
        fruits.add("Banana");
        fruits.add("Cherry");

        // 按索引访问
        System.out.println(fruits.get(1));  // 输出: Banana

        // 遍历 List
        for (String fruit : fruits) {
            System.out.println(fruit);
        }
    }
}

`ArrayList` 和 `LinkedList` 区别

ArrayList 基于数组实现，适合快速随机访问，但在插入和删除元素时性能较差。
LinkedList 基于链表实现，适合在中间插入或删除元素，但访问元素的性能较差。

1.3 Set 接口与其实现类

Set 是一个无序的集合，不允许重复元素。常见的实现类有 HashSet、LinkedHashSet 和 TreeSet。

示例：使用 HashSet

import java.util.HashSet;
import java.util.Set;

public class SetExample {
    public static void main(String[] args) {
        Set<String> fruits = new HashSet<>();
        fruits.add("Apple");
        fruits.add("Banana");
        fruits.add("Apple");  // 重复元素不会被添加

        for (String fruit : fruits) {
            System.out.println(fruit);  // 输出: Apple, Banana (顺序不定)
        }
    }
}

`HashSet` 与 `TreeSet` 区别

HashSet 是无序集合，插入时不保证顺序。
TreeSet 是有序集合，自动按升序排序元素。

1.4 Map 接口与其实现类

Map 存储键值对，每个键唯一。常见的实现类有 HashMap 和 TreeMap。

示例：使用 HashMap

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

public class MapExample {
    public static void main(String[] args) {
        Map<String, Integer> fruitPrices = new HashMap<>();
        fruitPrices.put("Apple", 1);
        fruitPrices.put("Banana", 2);
        fruitPrices.put("Cherry", 3);

        // 访问 Map 中的元素
        System.out.println("Price of Banana: " + fruitPrices.get("Banana"));  // 输出: 2

        // 遍历 Map
        for (Map.Entry<String, Integer> entry : fruitPrices.entrySet()) {
            System.out.println(entry.getKey() + ": " + entry.getValue());
        }
    }
}

`HashMap` 与 `TreeMap` 区别

HashMap 基于哈希表实现，存储顺序不保证。
TreeMap 基于红黑树实现，按键的自然顺序或指定的比较器排序。

2. Java 异常处理

异常处理是 Java 编程中的一个重要部分。合理的异常处理机制能使程序更加健壮，能够应对各种可能的错误情况。

2.1 异常的类型

Java 中的异常分为两种类型：

检查型异常（Checked Exception）：必须在代码中进行处理的异常，例如 IOException、SQLException。
非检查型异常（Unchecked Exception）：通常是程序逻辑错误导致的异常，如 NullPointerException、ArrayIndexOutOfBoundsException。

2.2 异常的捕获与处理

Java 提供了 try-catch 语句块来捕获和处理异常。当异常发生时，程序会跳转到对应的 catch 块进行处理。

示例：使用 try-catch 处理异常

public class ExceptionExample {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            int result = 10 / 0;  // 会抛出 ArithmeticException
        } catch (ArithmeticException e) {
            System.out.println("Error: " + e.getMessage());  // 捕获并处理异常
        } finally {
            System.out.println("This will always execute");
        }
    }
}

解释：

try 块中包含可能抛出异常的代码。
catch 块捕获特定的异常并进行处理。
finally 块在任何情况下都会执行，通常用于释放资源。

2.3 抛出异常

Java 允许你在程序中主动抛出异常。可以使用 throw 关键字抛出异常对象。

示例：使用 throw 抛出异常

public class ThrowExample {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            checkAge(15);
        } catch (IllegalArgumentException e) {
            System.out.println(e.getMessage());  // 输出: Age must be 18 or older
        }
    }

    public static void checkAge(int age) {
        if (age < 18) {
            throw new IllegalArgumentException("Age must be 18 or older");
        }
    }
}

解释：

checkAge 方法检查年龄，如果小于 18 岁，就抛出 IllegalArgumentException。

2.4 自定义异常

有时，我们需要创建自定义异常类，以便处理特定的错误情况。自定义异常类通常继承自 Exception 或 RuntimeException 类。

示例：自定义异常

class InvalidAgeException extends Exception {
    public InvalidAgeException(String message) {
        super(message);
    }
}

public class CustomExceptionExample {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            validateAge(16);
        } catch (InvalidAgeException e) {
            System.out.println(e.getMessage());  // 输出: Age is invalid
        }
    }

    public static void validateAge(int age) throws InvalidAgeException {
        if (age < 18) {
            throw new InvalidAgeException("Age is invalid");
        }
    }
}

解释：