基于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與簡化內(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，這些問題時常困擾著學(xué)生。筆者發(fā)現(xiàn)很少有教材從理論的高度對Java集合框架進行清晰闡述，絕大部分教材只是羅列每個類的屬性與方法，沒有解釋每個類的區(qū)別及應(yīng)用場景；少數(shù)教材簡單說明ArrayList、LinkedList的實現(xiàn)方法不同，但不夠全面，也沒有說明一個集合對象保存的并不是元素的內(nèi)容，而只是元素對象的引用（可以理解為地址）。在多年的Java語言課程教學(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簡化內(nèi)存模型描述集合對象的實現(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)是一門研究非數(shù)值計算問題中數(shù)據(jù)的組織、存儲及操作的學(xué)科。所謂非數(shù)值計算問題，指不是一個公式就能解決的問題，比如排序問題等。首先講解數(shù)據(jù)的組織、存儲及操作，見表1。

表1 數(shù)據(jù)的組織、存儲及操作

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)（可以無序）；線性結(jié)構(gòu)把一批數(shù)據(jù)組織起來，除了首元素與尾元素，中間任何一個元素只有一個前驅(qū)、一個后繼。從操作受限的角度看，線性結(jié)構(gòu)可分為線性表、隊列與棧3種，線性表就是操作不受限的線性結(jié)構(gòu)。從存儲的角度看，順序存儲的線性表叫順序表，鏈?zhǔn)酱鎯Φ木€性表叫鏈表。

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

第二步，講解Java的集合框架組成，見圖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、集合的交叉并補運算等。針對不同存儲結(jié)構(gòu)有不同的實現(xiàn)方式，這些方法都是抽象方法，具體由它的子類實現(xiàn)，因此Collection定義成接口。

圖1 Java的集合框架組成

ArrayList類用順序存儲方式實現(xiàn)，ArrayList就是順序表；LinkedList用鏈?zhǔn)酱鎯Ψ绞綄崿F(xiàn)，LinkedList就是鏈表；兩者的區(qū)別在于訪問、插入、刪除一個元素時，效率是不同的。若一個集合經(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—值看做一個整體時，它就是集合，并提供了項集。

進一步講解，HashSet、HashMap等是無序集合，TreeSet、TreeMap是通過二叉排序法建立的有序集合。

2 Java集合對象保存的是集合中每個元素對象的引用

也許受到C語言課程中數(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象本身，因此他們不理解一個對象加入兩個集合等問題。一個集合中刪除了這個元素對象，為什么另一個集合還能顯示這個對象呢？所以，Java教學(xué)中，理解Java的內(nèi)存管理是很重要的。Java實際的內(nèi)存管理比較復(fù)雜，但可以用簡化的方式描述，既便于學(xué)生理解，又不違背Java內(nèi)存管理原則 ?？梢院唵蔚匕褍?nèi)存分為兩部分：類區(qū)與對象區(qū)。下面用簡化內(nèi)存模型分析一段Java集合代碼。

list使用類中，main方法的簡化內(nèi)存模型分析見圖2。

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

圖2 main方法的簡化內(nèi)存模型分析圖

3 結(jié) 語

通過與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)知識相結(jié)合，可以用簡化內(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)，而不會迷惘于成堆的接口和類中。學(xué)院2015級學(xué)生按此方法教學(xué)，該門課程平均成績達到85分，而前一屆學(xué)生未采用這種講課方法，同樣試卷考試，課程平均成績只有70分。由此可見，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)計課程之間的有效銜接[J]. 計算機教育, 2015(15): 82-84.

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