集合

学习目标

• 解释数组和集合的核心差异。
• 使用 List 保存有顺序、可重复的元素。
• 使用 Set 保存不重复的元素。
• 使用 Map 建立键到值的查询关系。
• 返回只读集合，避免外部代码修改对象内部状态。
• 编写测试覆盖集合顺序、去重、查询和非法输入。

前置知识

已完成异常处理，能够阅读构造器校验、业务异常、失败后状态检查和 JUnit 断言。

为什么需要集合

数组长度固定，适合保存一组数量明确的数据。真实业务里，数据经常会增长、去重、按条件查询。例如课程目录需要：

• 按添加顺序保存课时。
• 给课时打多个标签。
• 标签不能重复。
• 根据标签快速找到对应课时。

这些需求都可以用 Java 集合表达。集合来自 java.util 包，最常用的三类是 List、Set 和 Map。

List：保存有顺序的数据

List 表示一列元素，保留添加顺序，也允许重复。常见实现类是 ArrayList：

private final List<CourseLesson> lessons = new ArrayList<>();

字段类型写 List<CourseLesson>，表示调用者只依赖列表能力；右边使用 ArrayList，表示内部选择一种适合按顺序追加和遍历的实现。

添加课时时，把对象放进列表：

lessons.add(lesson);

统计总时长时，可以用增强 for 循环遍历：

int total = 0;
for (CourseLesson lesson : lessons) {
    total += lesson.getDurationMinutes();
}
return total;

Set：保存不重复的数据

Set 表示一组不重复元素。课程标签适合用 Set，因为同一个课时传入 ["core", "core"] 时，目录里只应该保留一个 core。

private final Set<String> tags = new LinkedHashSet<>();

这里使用 LinkedHashSet，它既能去重，也会尽量保留插入顺序，便于学习者阅读测试结果。

添加标签时，不需要自己判断是否已经存在：

tags.add(tag);

如果标签已经存在，Set 不会再新增一份。

Map：建立查询索引

Map 保存键和值的对应关系。课程目录可以用标签作为键，用这个标签下的课时列表作为值：

private final Map<String, List<CourseLesson>> lessonsByTag = new LinkedHashMap<>();

添加课时时，先从 Map 中取出某个标签已有的课时列表。如果还没有，就创建一个新列表放回 Map：

List<CourseLesson> taggedLessons = lessonsByTag.get(tag);
if (taggedLessons == null) {
    taggedLessons = new ArrayList<>();
    lessonsByTag.put(tag, taggedLessons);
}
taggedLessons.add(lesson);

这样查询某个标签时，就不必每次扫描全部课时：

List<CourseLesson> taggedLessons = lessonsByTag.get(normalizedTag);
if (taggedLessons == null) {
    return List.of();
}
return Collections.unmodifiableList(new ArrayList<>(taggedLessons));

List.of() 会创建一个不可修改的空列表，适合表示没有查询结果。

集合中的类型

List<CourseLesson>、Set<String> 和 Map<String, List<CourseLesson>> 里的尖括号用于声明集合元素类型。这样编译器就知道：

• lessons 只能保存 CourseLesson。
• tags 只能保存 String。
• lessonsByTag 的键是 String，值是 CourseLesson 列表。

完整的泛型机制会在下一章展开。本章先掌握一个实用原则：集合字段和变量都应该写清楚元素类型，不要使用没有类型信息的裸集合。

校验后再修改集合

CourseCatalog 添加课时时先完成所有校验，再修改内部集合：

public void addLesson(CourseLesson lesson, List<String> lessonTags) {
    if (lesson == null) {
        throw new IllegalArgumentException("lesson must not be null");
    }
    Set<String> normalizedTags = normalizeTags(lessonTags);

    lessons.add(lesson);
    for (String tag : normalizedTags) {
        tags.add(tag);
        // 更新标签索引
    }
}

normalizeTags 会拒绝 null、空列表和空白标签。如果某个标签非法，方法会在修改 lessons 之前抛出异常，目录不会留下半更新状态。

返回只读集合

对象内部的 lessons、tags 和 lessonsByTag 都是可变集合。如果直接返回字段，外部代码就能绕过校验修改目录。

更稳妥的做法是返回一份只读副本：

public List<CourseLesson> lessons() {
    return Collections.unmodifiableList(new ArrayList<>(lessons));
}

这里先用 new ArrayList<>(lessons) 复制当前内容，再用 Collections.unmodifiableList 包装成不可修改列表。调用者可以读取结果，但不能 add、clear 或删除元素。

可运行代码

• CourseCatalog 展示 List、Set、Map、遍历、去重和只读返回。
• CourseCatalogTest 覆盖顺序保存、标签查询、重复标签、只读集合和非法输入。
• 面向对象练习 提供同主题 starter/solution。

使用 Java 21 运行对应测试：

mvn -B -pl examples/java-core -am test
mvn -B -pl exercises/object-oriented/starter -am compile
mvn -B -pl exercises/object-oriented/solution -am test

常见错误与调试提示

• 继续用数组处理数量会变化的数据：添加和删除都会变得笨重。
• 忘记集合元素类型：裸集合会让编译器少帮你发现错误。
• 把 List 当成去重工具：如果业务要求不重复，应考虑 Set。
• 依赖 Set 的固定顺序：顺序不是所有 Set 都保证，测试不要误把顺序当业务承诺。
• 直接返回内部可变集合：调用者可能绕过业务方法破坏对象状态。
• 修改集合前没有完成全部校验：异常发生后可能留下半更新数据。

调试集合代码时，重点观察集合大小、元素顺序、键是否归一化，以及异常抛出前后集合是否变化。

最佳实践及适用边界

• 需要顺序和重复元素时用 List。
• 需要去重或成员判断时用 Set。
• 需要按键查询时用 Map。
• 字段类型优先写接口，例如 List、Set、Map；创建对象时再选择具体实现类。
• 对外返回集合时，优先返回只读副本，保护对象内部状态。
• 在小数据量、简单一次性流程中，不必过早建立复杂索引；清晰循环往往更容易维护。

分级练习

• 基础：实现 CourseCatalog.addLesson，把课时保存到 List 中，并统计总时长。
• 进阶：用 Set 保存去重后的标签，支持 containsTag。
• 挑战：用 Map<String, List<Lesson>> 建立标签索引，并让所有查询方法返回只读集合。

面试与复习题

1. 数组和集合各自适合什么场景？
2. List、Set、Map 的核心差异是什么？
3. 为什么字段类型常写成 List，而不是 ArrayList？
4. Set 如何帮助去重？
5. Map 的键和值分别表达什么？
6. 为什么添加数据前要先完成全部校验？
7. 直接返回内部集合有什么风险？
8. 什么时候值得为查询建立 Map 索引？

本章总结

集合让程序可以保存、去重、遍历和查询数量会变化的数据。List 关注顺序，Set 关注唯一性，Map 关注键值关系。结合输入校验和只读返回，集合代码既灵活，也能保持对象状态可靠。

下一步

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