本教程详细讲解了在java中如何设计和操作包含封装`hashmap`的复杂数据结构。我们将通过一个学生成绩管理系统为例，演示如何向嵌套的`hashmap`中添加数据，以及如何通过提供公共访问方法（getter）来遍历和处理内部`hashmap`中的所有元素，确保数据封装的同时实现高效的数据存取与计算。
在Java开发中，我们经常需要处理复杂的数据结构，其中一种常见场景是将一个HashMap封装在自定义类中，然后该自定义类的实例又作为另一个HashMap的值。这种结构在处理如学生成绩管理、多层配置信息等场景时非常有用。本文将以一个学生成绩管理系统为例，详细阐述如何有效地向这种嵌套结构中添加数据，并实现对其内部所有元素的遍历。
1. 设计封装类：Marks
首先，我们需要一个类来封装学生在某一学期的科目成绩。这个类将包含一个HashMap，用于存储科目名称（String）及其对应的分数（Integer）。为了遵循面向对象的设计原则，我们应该提供方法来添加成绩和访问内部的成绩映射。
import java.util.Collections;
import java.util.HashMap;
import java.util.Map;
/**
* Marks类封装了学生在一个学期的所有科目成绩。
*/
public class Marks {
private final Map subjectMark = new HashMap<>();
/**
* 向当前学期添加或更新科目成绩。
*
* @param subject 科目名称，不能为空或仅包含空格。
* @param mark 成绩。
* @throws IllegalArgumentException 如果科目名称无效。
*/
public void addSubjectMark(String subject, int mark) {
if (subject == null || subject.trim().isEmpty()) {
throw new IllegalArgumentException("Subject cannot be null or empty.");
}
subjectMark.put(subject, mark);
}
/**
* 获取当前学期的所有科目成绩。
* 为了保护内部数据结构，此方法返回一个不可修改的Map视图，
* 外部代码无法直接修改Marks对象内部的成绩映射。
*
* @return 包含科目名称和分数的Map的不可修改视图。
*/
public Map getSubjectMark() {
return Collections.unmodifiableMap(subjectMark);
}
} 注意事项：
- subjectMark被声明为final，确保其引用不会改变，但其内容是可变的。
- addSubjectMark方法提供了向内部HashMap添加数据的方式，实现了封装，并增加了参数校验。
- getSubjectMark方法返回Collections.unmodifiableMap(subjectMark)，这是一个非常重要的实践。它确保了外部代码无法直接修改Marks对象内部的subjectMark映射，从而维护了对象的封装性和数据完整性。如果直接返回subjectMark，外部调用者将能够随意添加、删除或修改成绩，这可能导致不可预测的行为。
2. 设计主管理类：RecordBook
RecordBook类将负责管理所有学期的成绩。它将使用一个HashMap，其中键是学期号（Integer），值是前面定义的Marks类的实例。
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import java.util.HashMap;
import java.util.Map;
/**
* RecordBook类管理学生的多个学期成绩，每个学期由一个Marks对象表示。
*/
public class RecordBook {
private final Map semesterSubjectMark = new HashMap<>();
/**
* 向指定学期添加或更新科目成绩。
* 如果该学期尚不存在，则会创建一个新的Marks对象。
*
* @param semester 学期号。
* @param subject 科目名称。
* @param mark 成绩。
*/
public void addSemester(int semester, String subject, int mark) {
// 尝试获取指定学期的Marks对象
Marks marks = semesterSubjectMark.get(semester);
// 如果该学期尚未有记录，则创建一个新的Marks对象并放入map
if (marks == null) {
marks = new Marks();
semesterSubjectMark.put(semester, marks);
}
// 向获取到的（或新建的）Marks对象中添加科目成绩
marks.addSubjectMark(subject, mark);
}
/**
* 计算学生的平均绩点（GPA）。
* 遍历所有学期及其内部的科目成绩。
* 这是一个示例方法，实际GPA计算可能涉及学分转换、加权平均等更复杂的逻辑。
*/
public void gpa() {
int totalMarkPoints = 0; // 总分点 (成绩 * 学分)
int totalCredits = 0; // 总学分
// 遍历所有学期
for (Map.Entry semesterEntry : semesterSubjectMark.entrySet()) {
// Integer semester = semesterEntry.getKey(); // 当前学期号，如果需要可以获取
Marks marksForSemester = semesterEntry.getValue(); // 当前学期的Marks对象
// 通过Marks对象的getSubjectMark方法获取内部的科目成绩Map，并遍历
for (Map.Entry subjectMarkEntry : marksForSemester.getSubjectMark().entrySet()) {
String subject = subjectMarkEntry.getKey(); // 科目名称
int mark = subjectMarkEntry.getValue(); // 成绩
// 示例：根据科目分配学分，实际应用中这部分逻辑会更复杂，可能从配置或数据库获取
int credit = getCreditForSubject(subject); // 假设有一个方法获取学分
totalMarkPoints += mark * credit;
totalCredits += credit;
}
}
if (totalCredits == 0) {
System.out.println("没有记录带有学分的科目，无法计算GPA。");
} else {
double averageGpa = (double) totalMarkPoints / totalCredits;
System.out.println("总学分: " + totalCredits);
System.out.println("总绩点: " + totalMarkPoints);
System.out.printf("平均绩点 (GPA): %.2f%n", averageGpa);
}
}
/**
* 辅助方法：根据科目名称获取学分。
* 实际应用中，学分信息应从更可靠的来源（如数据库、配置文件）获取，
* 而不是硬编码在代码中。
*
* @param subject 科目名称。
* @return 对应的学分。如果科目未知，返回0。
*/
private int getCreditForSubject(String subject) {
// 这是一个简化示例，实际应有更完善的学分管理机制
switch (subject) {
case "Math":
return 4; // 示例学分
case "English":
return 3;
case "Physics":
return 3;
case "Computer Science":
return 5;
default:
return 0; // 未知科目默认0学分
}
}
public static void main(String[] args) {
RecordBook recordBook = new RecordBook();
// 添加成绩
System.out.println("添加学生成绩...");
recordBook.addSemester(1, "Math", 85);
recordBook.addSemester(1, "English", 90);
recordBook.addSemester(2, "Physics", 78);
recordBook.addSemester(2, "Computer Science", 92);
recordBook.addSemester(1, "Math", 88); // 更新第一学期Math成绩
// 尝试添加无效科目
try {
recordBook.addSemester(3, "", 70);
} catch (IllegalArgumentException e) {
System.out.println("错误: " + e.getMessage());
}
System.out.println("\n计算并打印GPA:");
recordBook.gpa();
}
} 3. 核心机制详解
3.1 数据添加 (addSemester 方法)
addSemester方法是向嵌套结构中添加数据的关键。它的逻辑如下：
- 获取Marks对象: 首先，它尝试从semesterSubjectMark中根据semester（学期号）获取对应的Marks对象。
- 处理新学期: 如果marks为null，表示该学期是第一次添加成绩，此时需要创建一个新的Marks实例，并将其放入semesterSubjectMark中。
- 添加科目成绩: 无论是获取到的现有Marks对象，还是新创建的Marks对象，都通过调用其addSubjectMark方法来添加或更新具体的科目成绩。这种方式确保了数据被正确地添加到对应的学期下，并利用了Marks类内部的封装。
3.2 数据遍历 (gpa 方法)
gpa方法展示了如何遍历这种嵌套的HashMap结构：
- 外层遍历: 使用semesterSubjectMark.entrySet()进行第一次for-each循环，获取每个学期号及其对应的Marks对象。
- 内层遍历: 在外层循环内部，通过调用marksForSemester.getSubjectMark().entrySet()来获取当前学期的所有科目成绩映射的不可修改视图，然后进行第二次for-each循环
