20260729-集合框架练习.md 15 KB
2026-07-29 集合框架（Collection Framework）基础练习（课堂练习用）
说明：以下习题围绕今日授课核心内容——Java 集合框架入门（Collection Framework） 展开，涵盖集合 vs 数组对比、ArrayList 基本操作（增删改查）、ArrayList 底层原理（容量/扩容/size）、包装类在集合中的应用等知识点。
题目分为 基础练习（ArrayList 基本操作，3 题）和 进阶挑战（综合应用，2 题）。
第一部分：基础练习
以下练习围绕 ArrayList 的基本 CRUD 操作和常用方法，由浅入深。
练习 1：学生信息录入系统
难度：⭐
知识点：ArrayList 创建、add() 添加元素、size() 获取个数、包装类应用
场景描述：学校需要一个简单的学生信息录入系统，使用 ArrayList 存储学生信息，要求使用包装类 Integer 表示年龄。
题目要求：
步骤 1：创建一个 Student 类，包含以下属性：
| 属性 | 类型 | 说明 |
|---|---|---|
name |
String |
姓名 |
age |
Integer |
年龄（使用包装类） |
studentId |
String |
学号 |
要求：提供 full getter/setter 方法和无参/全参构造方法。
步骤 2：在 StudentManager 类的 main 方法中，完成以下操作：
public class StudentManager {
public static void main(String[] args) {
// 1. 创建一个 ArrayList，用于存储 Student 对象
// 提示：ArrayList<Student> students = new ArrayList<>();
// 2. 创建 4 个 Student 对象，信息如下：
// 张三, 20, S001
// 李四, 21, S002
// 王五, 19, S003
// 赵六, 22, S004
// 3. 将 4 个学生对象添加到 ArrayList 中
// 4. 输出 ArrayList 中的学生总数（使用 size() 方法）
// 5. 遍历 ArrayList，打印每个学生的信息（使用 for 循环 + get() 方法）
// 输出格式：学号：S001, 姓名：张三, 年龄：20
}
}
预期输出：
学生总数：4
========== 学生列表 ==========
学号：S001, 姓名：张三, 年龄：20
学号：S002, 姓名：李四, 年龄：21
学号：S003, 姓名：王五, 年龄：19
学号：S004, 姓名：赵六, 年龄：22
提示：
- 创建 ArrayList 的语法：
ArrayList<Student> list = new ArrayList<>(); - 添加元素：
list.add(student); - 获取元素个数：
list.size() - 获取指定索引元素：
list.get(index)
练习 2：学生信息维护——增删改查
难度：⭐⭐
知识点：ArrayList 的 add()/remove()/set()/get()/isEmpty() 方法
场景描述：基于练习 1 的 Student 类，实现学生信息的增删改查功能。
题目：在 StudentManager 类的 main 方法中，基于已有学生列表，依次完成以下操作：
// 假设已有练习 1 中的 students 列表（张三、李四、王五、赵六）
// 1. 判断列表是否为空（使用 isEmpty()），输出结果
// 2. 查询学号为 S003 的学生（遍历查找），输出其信息
// 3. 修改学号为 S002 的学生姓名将"李四"改为"李思"
// 4. 删除学号为 S004 的学生（赵六）
// 5. 在索引 1 的位置插入一个新学生：孙七, 18, S005
// 6. 再次遍历输出所有学生信息
// 7. 查看此时列表中学生总数
预期输出：
列表是否为空？false
--- 查询结果 ---
学号：S003, 姓名：王五, 年龄：19
已修改学号 S002 的学生姓名为：李思
已删除学号 S004 的学生：赵六
已在索引 1 处插入新学生：孙七
========== 最终学生列表 ==========
学号：S001, 姓名：张三, 年龄：20
学号：S005, 姓名：孙七, 年龄：18
学号：S002, 姓名：李思, 年龄：21
学号：S003, 姓名：王五, 年龄：19
当前学生总数：4
提示：
list.isEmpty()— 判断是否为空list.set(index, newValue)— 修改指定位置的元素list.remove(index)— 删除指定位置的元素list.add(index, element)— 在指定位置插入元素
练习 3：学生年龄统计与分析
难度：⭐⭐
知识点：ArrayList 遍历、条件筛选、包装类自动拆箱、统计计算
场景描述：对学生列表进行年龄统计分析。
题目：在 StudentManager 类的 main 方法中，对学生列表进行以下统计：
// 假设已有练习 1 中的 students 列表（张三、李四、王五、赵六）
// 1. 计算所有学生的平均年龄（注意：age 是 Integer 类型，参与运算时会自动拆箱）
// 输出格式："平均年龄：XX.X"
// 2. 统计年龄 >= 20 岁的学生，输出他们的信息
// 输出格式：
// 年龄 >= 20 岁的学生：
// 学号：S001, 姓名：张三, 年龄：20
// ...
// 3. 找出年龄最大的学生，输出其信息
// 输出格式："年龄最大的学生：学号：S002, 姓名：李四, 年龄：21"
// 4. 按年龄从小到大输出所有学生信息（冒泡排序或选择排序，基于 ArrayList）
预期输出：
========== 年龄统计 ==========
平均年龄：20.5
---------- 年龄 >= 20 岁 ----------
学号：S001, 姓名：张三, 年龄：20
学号：S002, 姓名：李四, 年龄：21
学号：S004, 姓名：赵六, 年龄：22
---------- 年龄最大的学生 ----------
学号：S004, 姓名：赵六, 年龄：22
---------- 按年龄排序（升序） ----------
学号：S003, 姓名：王五, 年龄：19
学号：S001, 姓名：张三, 年龄：20
学号：S002, 姓名：李四, 年龄：21
学号：S004, 姓名：赵六, 年龄：22
思考题：
- 包装类
Integer参与算术运算时，底层发生了什么？（提示：自动拆箱） - 如果
Student的age属性为null，直接参与age.intValue()或算术运算会怎样？
第二部分：进阶挑战
以下练习综合运用 ArrayList、包装类、面向对象思想，模拟真实业务场景。
进阶 1：学生选课管理系统
难度：⭐⭐⭐
知识点：ArrayList 综合应用、contains()/indexOf() 方法、对象比较、remove() 按对象删除
场景描述：实现一个简单的学生选课管理系统，学生可以选择已开设的课程，也可以退选课程。
题目要求：
步骤 1：在 Student 类中新增一个属性：
private ArrayList<String> courses; // 已选课程列表
并提供 getter/setter 方法。在构造方法中初始化 courses = new ArrayList<>();
步骤 2：在 CourseManager 类中实现以下功能：
public class CourseManager {
public static void main(String[] args) {
// 1. 创建一个学生对象：张三, 20, S001
// 2. 为该学生添加 3 门课程："Java基础", "数据结构", "数据库原理"
// 提示：student.getCourses().add("课程名");
// 3. 输出该学生的已选课程列表
// 输出格式："张三的已选课程：[Java基础, 数据结构, 数据库原理]"
// 4. 判断是否已选"数据结构"（使用 contains() 方法）
// 输出："是否已选数据结构？true"
// 5. 退选"数据结构"课程（使用 remove() 方法按对象删除）
// 输出："已退选课程：数据结构"
// 6. 再次输出该学生的已选课程列表
// 输出格式："退选后的课程：[Java基础, 数据库原理]"
// 7. 查询"Java基础"课程的索引位置（使用 indexOf() 方法）
// 输出："'Java基础'的索引位置：0"
}
}
预期输出：
张三的已选课程：[Java基础, 数据结构, 数据库原理]
是否已选数据结构？true
已退选课程：数据结构
退选后的课程：[Java基础, 数据库原理]
'Java基础'的索引位置：0
提示：
list.contains(obj)— 判断是否包含某个元素（依赖equals()方法）list.indexOf(obj)— 返回元素第一次出现的索引，不存在返回 -1list.remove(Object o)— 按对象删除（注意这里是按元素值删除，不是按索引）
思考题：
remove("数据结构")和remove(1)有什么区别？参数类型不同时，调用的是哪个重载方法？contains()方法判断对象是否存在的依据是什么？
进阶 2：教室座位管理系统
难度：⭐⭐⭐⭐
知识点：ArrayList 作为对象属性、二维结构模拟（ArrayList 嵌套）、集合与包装类综合应用
场景描述：一个教室有 4 排座位，每排有 5 个座位。使用 ArrayList 模拟教室座位分配，每个座位可以坐一个学生或为空（null）。
题目要求：
步骤 1：创建一个 Classroom 类：
public class Classroom {
private String className; // 教室名称
private ArrayList<ArrayList<Student>> seats; // 座位表（4排 x 5列）
// 构造方法：初始化教室名称，创建 4 排，每排初始化为 5 个 null 座位
public Classroom(String className) {
this.className = className;
this.seats = new ArrayList<>();
for (int i = 0; i < 4; i++) { // 4 排
ArrayList<Student> row = new ArrayList<>();
for (int j = 0; j < 5; j++) { // 每排 5 个座位
row.add(null); // 初始为空座位
}
seats.add(row);
}
}
// 给学生分配座位（指定排和列）
public boolean assignSeat(int row, int col, Student student) {
// 检查行列是否越界（0~3, 0~4）
// 检查座位是否已被占用（不为 null）
// 如果可用，将学生放入该座位，返回 true
// 否则返回 false
}
// 显示座位分配情况
public void displaySeats() {
// 遍历所有座位，输出格式：
// 第1排：[张三, 李四, 空, 王五, 空]
// 第2排：[空, 赵六, 空, 空, 空]
// ...
}
// 统计空座位数量
public int countEmptySeats() {
// 遍历所有座位，统计 null 的数量
}
// 统计某排已坐人数
public int countOccupiedInRow(int row) {
// 遍历指定排，统计非 null 的数量
}
}
步骤 2：在 Classroom 类的 main 方法中，测试座位管理：
public static void main(String[] args) {
// 1. 创建一个教室 "A101"
Classroom classroom = new Classroom("A101");
// 2. 分配座位：
// 张三 -> 第1排第1座
// 李四 -> 第1排第2座
// 王五 -> 第3排第4座
// 赵六 -> 第2排第3座
// 3. 显示所有座位分配情况
// 4. 尝试给已占用的座位再次分配（第1排第1座已有张三），观察返回值
// 5. 统计空座位总数
// 6. 统计第1排已坐人数
}
预期输出：
========== A101 教室座位分配 ==========
第1排：[张三, 李四, 空, 空, 空]
第2排：[空, 空, 赵六, 空, 空]
第3排：[空, 空, 空, 王五, 空]
第4排：[空, 空, 空, 空, 空]
第1排第1座已被占用，分配失败！
空座位总数：17
第1排已坐人数：2
提示：
ArrayList嵌套：ArrayList<ArrayList<Student>>模拟二维结构- 访问元素：
seats.get(row).get(col) - 修改元素：
seats.get(row).set(col, student) null表示空座位
思考题：
- 用集合的嵌套模拟二维结构和用二维数组
Student[][]相比，有什么优势？ - 如果要支持动态增加排数或每排座位数，哪种数据结构更灵活？
参考答案要点
练习 1 参考
// Student 类
public class Student {
private String name;
private Integer age;
private String studentId;
public Student() {}
public Student(String name, Integer age, String studentId) {
this.name = name;
this.age = age;
this.studentId = studentId;
}
// getter / setter 省略
}
// StudentManager 类 main 方法关键代码
ArrayList<Student> students = new ArrayList<>();
Student s1 = new Student("张三", 20, "S001");
Student s2 = new Student("李四", 21, "S002");
Student s3 = new Student("王五", 19, "S003");
Student s4 = new Student("赵六", 22, "S004");
students.add(s1);
students.add(s2);
students.add(s3);
students.add(s4);
System.out.println("学生总数：" + students.size());
for (int i = 0; i < students.size(); i++) {
Student s = students.get(i);
System.out.println("学号：" + s.getStudentId()
+ ", 姓名：" + s.getName()
+ ", 年龄：" + s.getAge());
}
练习 2 参考
// isEmpty() 判断
System.out.println("列表是否为空？" + students.isEmpty());
// 查询学号为 S003 的学生
for (int i = 0; i < students.size(); i++) {
Student s = students.get(i);
if ("S003".equals(s.getStudentId())) {
System.out.println("学号：" + s.getStudentId()
+ ", 姓名：" + s.getName()
+ ", 年龄：" + s.getAge());
break;
}
}
// 修改：将"李四"改为"李思"
for (int i = 0; i < students.size(); i++) {
Student s = students.get(i);
if ("S002".equals(s.getStudentId())) {
s.setName("李思");
break;
}
}
// 删除赵六
students.remove(3);
// 在索引 1 处插入新学生
students.add(1, new Student("孙七", 18, "S005"));
练习 3 参考（排序部分）
// 冒泡排序（按年龄升序）
for (int i = 0; i < students.size() - 1; i++) {
for (int j = 0; j < students.size() - 1 - i; j++) {
Student s1 = students.get(j);
Student s2 = students.get(j + 1);
if (s1.getAge() > s2.getAge()) {
// 交换
Student temp = students.get(j);
students.set(j, students.get(j + 1));
students.set(j + 1, temp);
}
}
}
进阶 1 参考（退选课程）
// 判断是否已选
System.out.println("是否已选数据结构？"
+ student.getCourses().contains("数据结构"));
// 退选课程
student.getCourses().remove("数据结构");
// 查询索引
System.out.println("'Java基础'的索引位置："
+ student.getCourses().indexOf("Java基础"));
进阶 2 参考（assignSeat 方法）
public boolean assignSeat(int row, int col, Student student) {
// 越界检查
if (row < 0 || row >= seats.size()
|| col < 0 || col >= seats.get(0).size()) {
System.out.println("座位位置越界！");
return false;
}
// 检查是否已被占用
if (seats.get(row).get(col) != null) {
System.out.println("第" + (row + 1) + "排第" + (col + 1)
+ "座已被占用，分配失败！");
return false;
}
// 分配座位
seats.get(row).set(col, student);
return true;
}
涵盖知识点总览
| 知识点 | 对应练习 | 说明 |
|---|---|---|
| ArrayList 创建与元素添加 | 练习 1 | new ArrayList<>(), add() |
| ArrayList 遍历 | 练习 1、2、3 | for + get(), size() |
| ArrayList 修改与删除 | 练习 2 | set(), remove(index) |
| ArrayList 插入 | 练习 2 | add(index, element) |
| ArrayList 查询与判断 | 进阶 1 | contains(), indexOf() |
| 包装类自动拆箱 | 练习 3 | Integer 参与算术运算 |
| 条件筛选与统计 | 练习 3 | 遍历 + 条件判断 |
| 对象排序（冒泡排序） | 练习 3 | ArrayList 中的元素交换 |
| ArrayList 嵌套（二维结构） | 进阶 2 | ArrayList<ArrayList<Student>> |
| null 在集合中的语义 | 进阶 2 | null 表示空座位 |