基于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與簡(jiǎn)化內(nèi)存模型的Java集合教學(xué)方法研究

胡建華，鄢 旭

（1.浙江農(nóng)林大學(xué)暨陽(yáng)學(xué)院 工程技術(shù)系，浙江 諸暨 311800；2.江西旅游商貿(mào)職業(yè)學(xué)院 現(xiàn)代教育技術(shù)中心，江西 南昌 330000）

0 引 言

Java語(yǔ)言課程中，集合框架是學(xué)生反映較難掌握的內(nèi)容之一。該部分提供了很多接口與類，List、ArrayList、LinkedList、HashMap、TreeMap 等，如這些類的區(qū)別在哪里，在什么情況下使用，這些問(wèn)題時(shí)常困擾著學(xué)生。筆者發(fā)現(xiàn)很少有教材從理論的高度對(duì)Java集合框架進(jìn)行清晰闡述，絕大部分教材只是羅列每個(gè)類的屬性與方法，沒(méi)有解釋每個(gè)類的區(qū)別及應(yīng)用場(chǎng)景；少數(shù)教材簡(jiǎn)單說(shuō)明ArrayList、LinkedList的實(shí)現(xiàn)方法不同，但不夠全面，也沒(méi)有說(shuō)明一個(gè)集合對(duì)象保存的并不是元素的內(nèi)容，而只是元素對(duì)象的引用（可以理解為地址）。在多年的Java語(yǔ)言課程教學(xué)中，筆者發(fā)現(xiàn)從數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)理論角度介紹Java集合框架組成，以JVM簡(jiǎn)化內(nèi)存模型描述集合對(duì)象的實(shí)現(xiàn)，能幫助學(xué)生輕松理解Java集合框架，并靈活應(yīng)用，取得了較好的教學(xué)效果。

1 Java的集合框架就是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程中集合的抽象

要從數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)理論的角度理解Java集合框架，第一步是回顧數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的內(nèi)容。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是一門(mén)研究非數(shù)值計(jì)算問(wèn)題中數(shù)據(jù)的組織、存儲(chǔ)及操作的學(xué)科。所謂非數(shù)值計(jì)算問(wèn)題，指不是一個(gè)公式就能解決的問(wèn)題，比如排序問(wèn)題等。首先講解數(shù)據(jù)的組織、存儲(chǔ)及操作，見(jiàn)表1。

表1 數(shù)據(jù)的組織、存儲(chǔ)及操作

接著，講解集合、線性結(jié)構(gòu)、線性表、順序表、鏈表的區(qū)別。集合是一批數(shù)據(jù)（可以無(wú)序）；線性結(jié)構(gòu)把一批數(shù)據(jù)組織起來(lái)，除了首元素與尾元素，中間任何一個(gè)元素只有一個(gè)前驅(qū)、一個(gè)后繼。從操作受限的角度看，線性結(jié)構(gòu)可分為線性表、隊(duì)列與棧3種，線性表就是操作不受限的線性結(jié)構(gòu)。從存儲(chǔ)的角度看，順序存儲(chǔ)的線性表叫順序表，鏈?zhǔn)酱鎯?chǔ)的線性表叫鏈表。

最后，引導(dǎo)學(xué)生分析順序表與鏈表在訪問(wèn)、插入、刪除一個(gè)元素時(shí)的效率區(qū)別。

第二步，講解Java的集合框架組成，見(jiàn)圖1。

明確告訴學(xué)生，Collection接口就是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中集合的抽象，該接口提供的方法，就是要完成數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中集合的常用算法，諸如建立集合、插入元素、刪除元素、集合的交叉并補(bǔ)運(yùn)算等。針對(duì)不同存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)有不同的實(shí)現(xiàn)方式，這些方法都是抽象方法，具體由它的子類實(shí)現(xiàn)，因此Collection定義成接口。

圖1 Java的集合框架組成

ArrayList類用順序存儲(chǔ)方式實(shí)現(xiàn)，ArrayList就是順序表；LinkedList用鏈?zhǔn)酱鎯?chǔ)方式實(shí)現(xiàn)，LinkedList就是鏈表；兩者的區(qū)別在于訪問(wèn)、插入、刪除一個(gè)元素時(shí)，效率是不同的。若一個(gè)集合經(jīng)常要插入、刪除元素，則LinkedList效率高。

Set就是在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)集合的基礎(chǔ)上加了唯一性要求；當(dāng)Map把鍵—值看做一個(gè)整體時(shí)，它就是集合，并提供了項(xiàng)集。

進(jìn)一步講解，HashSet、HashMap等是無(wú)序集合，TreeSet、TreeMap是通過(guò)二叉排序法建立的有序集合。

2 Java集合對(duì)象保存的是集合中每個(gè)元素對(duì)象的引用

也許受到C語(yǔ)言課程中數(shù)組元素分配內(nèi)存空間的影響，很多學(xué)生認(rèn)為集合中保存了元素對(duì)象本身，因此他們不理解一個(gè)對(duì)象加入兩個(gè)集合等問(wèn)題。一個(gè)集合中刪除了這個(gè)元素對(duì)象，為什么另一個(gè)集合還能顯示這個(gè)對(duì)象呢？所以，Java教學(xué)中，理解Java的內(nèi)存管理是很重要的。Java實(shí)際的內(nèi)存管理比較復(fù)雜，但可以用簡(jiǎn)化的方式描述，既便于學(xué)生理解，又不違背Java內(nèi)存管理原則 。可以簡(jiǎn)單地把內(nèi)存分為兩部分：類區(qū)與對(duì)象區(qū)。下面用簡(jiǎn)化內(nèi)存模型分析一段Java集合代碼。

list使用類中，main方法的簡(jiǎn)化內(nèi)存模型分析見(jiàn)圖2。

由圖2可見(jiàn)，張三、令狐沖兩個(gè)學(xué)生對(duì)象是獨(dú)立建立在對(duì)象區(qū)的，jsj.add(xs1)只是通過(guò)調(diào)用add方法，把張三這個(gè)學(xué)生對(duì)象的地址加入到集合對(duì)象jsj中。jsj中刪除了一個(gè)學(xué)生對(duì)象，只是刪除了對(duì)這個(gè)對(duì)象的引用，這個(gè)對(duì)象本身還在內(nèi)存中。

圖2 main方法的簡(jiǎn)化內(nèi)存模型分析圖

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)知識(shí)相結(jié)合，可以用簡(jiǎn)化內(nèi)存模型分析集合代碼，幫助學(xué)生輕松掌握J(rèn)ava集合框架的本質(zhì)，而不會(huì)迷惘于成堆的接口和類中。學(xué)院2015級(jí)學(xué)生按此方法教學(xué)，該門(mén)課程平均成績(jī)達(dá)到85分，而前一屆學(xué)生未采用這種講課方法，同樣試卷考試，課程平均成績(jī)只有70分。由此可見(jiàn)，采用本文這種類比式教學(xué)方法后，教學(xué)效果提高顯著。

[1] 董東. 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與Java面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)課程之間的有效銜接[J]. 計(jì)算機(jī)教育, 2015(15): 82-84.

[2] 宋晏. 基于知識(shí)邏輯結(jié)構(gòu)與思維形式注記教學(xué)論的Java教學(xué)設(shè)計(jì)[J]. 工業(yè)和信息化教育, 2014(5): 68-74.