JAVA 二维列表的基础操作与异常

在Java中创建二维 ArrayList（即嵌套列表）的方法有多种，下面我将详细介绍常用的几种方式，并分析它们的区别和适用场景。

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1. 使用嵌套 ArrayList 创建二维列表

方法一：直接嵌套 ArrayList

这是最常用的方法，创建一个 ArrayList，每个元素本身又是一个 ArrayList，从而形成二维结构。

示例代码：

import java.util.ArrayList;public class TwoDArrayListExample {public static void main(String[] args) {// 创建二维 ArrayListArrayList<ArrayList<Integer>> twoDList = new ArrayList<>();// 初始化第一行ArrayList<Integer> row1 = new ArrayList<>();row1.add(1);row1.add(2);row1.add(3);// 初始化第二行ArrayList<Integer> row2 = new ArrayList<>();row2.add(4);row2.add(5);row2.add(6);// 添加行到二维列表twoDList.add(row1);twoDList.add(row2);// 输出二维列表System.out.println(twoDList);}
}

输出：

[[1, 2, 3], [4, 5, 6]]

优点：

• 灵活，可以处理不规则的二维结构（每行的长度可以不同）。
• 易于理解和实现。

缺点：

• 需要手动管理每一行的初始化和添加，代码较繁琐。
• 访问元素的时间复杂度稍高，因为 ArrayList 是基于动态数组实现的，扩展时可能涉及数组复制。

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方法二：在循环中动态初始化

这种方法通过循环来自动生成多行多列，适用于需要预定义尺寸的二维列表。

示例代码：

import java.util.ArrayList;public class DynamicTwoDArrayList {public static void main(String[] args) {int rows = 3, cols = 4;ArrayList<ArrayList<Integer>> twoDList = new ArrayList<>();// 初始化二维 ArrayListfor (int i = 0; i < rows; i++) {ArrayList<Integer> row = new ArrayList<>();for (int j = 0; j < cols; j++) {row.add(i * cols + j);  // 填充数据}twoDList.add(row);}// 输出二维列表System.out.println(twoDList);}
}

输出：

[[0, 1, 2, 3], [4, 5, 6, 7], [8, 9, 10, 11]]

优点：

• 适合处理规则的矩阵结构，代码简洁。
• 便于初始化大规模数据。

缺点：

• 固定行列数量，灵活性不如直接嵌套 ArrayList。

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2. 使用 List<List<T>> 接口实现

虽然 ArrayList 是最常用的实现，但使用 List 接口定义可以增加代码的通用性和灵活性，便于将来切换到其他 List 实现（如 LinkedList）。

示例代码：

import java.util.List;
import java.util.ArrayList;public class ListInterfaceExample {public static void main(String[] args) {List<List<String>> twoDList = new ArrayList<>();List<String> row1 = new ArrayList<>();row1.add("A");row1.add("B");List<String> row2 = new ArrayList<>();row2.add("C");row2.add("D");twoDList.add(row1);twoDList.add(row2);System.out.println(twoDList);}
}

输出：

[[A, B], [C, D]]

优点：

• 代码更加通用，便于后期维护。
• 如果将来需要换成 LinkedList 或其他 List 实现，可以直接替换，代码无需大改。

缺点：

• 性能和功能上与直接使用 ArrayList 差异不大，主要优势体现在代码结构上。

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3. 使用 Arrays.asList() 快速初始化

Arrays.asList() 可以用于快速初始化嵌套 ArrayList，适用于静态、已知数据的二维列表。

示例代码：

import java.util.ArrayList;
import java.util.Arrays;public class AsListExample {public static void main(String[] args) {ArrayList<ArrayList<Integer>> twoDList = new ArrayList<>(Arrays.asList(new ArrayList<>(Arrays.asList(1, 2, 3)),new ArrayList<>(Arrays.asList(4, 5, 6)),new ArrayList<>(Arrays.asList(7, 8, 9))));System.out.println(twoDList);}
}

输出：

[[1, 2, 3], [4, 5, 6], [7, 8, 9]]

优点：

• 初始化快速，适合处理已知静态数据。
• 代码简洁明了。

缺点：

• 数据固定，不适合需要动态修改的场景。
• Arrays.asList() 返回的列表大小固定，无法增加或删除元素（除非包裹在新的 ArrayList 中）。

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4. 使用 Collections.nCopies() 创建固定大小的二维列表

如果需要创建一个固定大小的二维 ArrayList 并填充默认值，可以使用 Collections.nCopies()。

示例代码：

import java.util.ArrayList;
import java.util.Collections;public class NCopiesExample {public static void main(String[] args) {int rows = 3, cols = 4;ArrayList<ArrayList<Integer>> twoDList = new ArrayList<>(Collections.nCopies(rows, new ArrayList<>(Collections.nCopies(cols, 0))));System.out.println(twoDList);}
}

输出：

[[0, 0, 0, 0], [0, 0, 0, 0], [0, 0, 0, 0]]

注意事项：

• 上述代码实际上会让每一行都引用同一个 ArrayList 实例，修改一行会影响所有行。因此需要深拷贝来避免这个问题。

正确版本：

import java.util.ArrayList;
import java.util.Collections;public class CorrectNCopiesExample {public static void main(String[] args) {int rows = 3, cols = 4;ArrayList<ArrayList<Integer>> twoDList = new ArrayList<>();for (int i = 0; i < rows; i++) {twoDList.add(new ArrayList<>(Collections.nCopies(cols, 0)));}System.out.println(twoDList);}
}

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方法对比总结

方法	优点	缺点	适用场景
直接嵌套 ArrayList	灵活、易于理解，适合不规则数据	初始化和管理代码较繁琐	小型项目或动态行列数据
循环动态初始化	适合大规模数据，代码简洁	行列固定，灵活性较差	规则矩阵结构
使用 List<List<T>> 接口	代码通用，便于维护和扩展	与直接嵌套 ArrayList 差异不大	需要考虑代码扩展性或可替换性的场景
Arrays.asList() 快速初始化	初始化快速，代码简洁	数据固定，无法动态增删元素	静态数据初始化
Collections.nCopies()	快速创建固定大小的二维列表	需要深拷贝避免引用问题，稍复杂	创建统一默认值的矩阵

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推荐使用场景

• 规则矩阵（如棋盘、表格数据）：使用循环动态初始化。
• 静态、已知数据：使用 Arrays.asList() 进行快速初始化。
• 动态修改、不规则数据：直接嵌套 ArrayList，灵活管理行列。

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将二维数组转换为二维列表的方法总结

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1. 使用嵌套 for-each 循环

适用场景：适用于简单的遍历和转换，适合处理基本数据类型或对象数组。

代码示例（基本数据类型）：

import java.util.ArrayList;public class ForEachExample {public static void main(String[] args) {int[][] array = {{1, 2, 3},{4, 5, 6},{7, 8, 9}};ArrayList<ArrayList<Integer>> list = new ArrayList<>();for (int[] row : array) {ArrayList<Integer> tempList = new ArrayList<>();for (int num : row) {tempList.add(num);}list.add(tempList);}System.out.println(list);  // 输出: [[1, 2, 3], [4, 5, 6], [7, 8, 9]]}
}

注意事项：

• 适用于规则或不规则的数组结构。
• 不适合处理需要索引访问的场景，因为 for-each 循环不提供索引信息。

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2. 使用 Stream.forEach 流式处理

适用场景：适用于大数据处理或需要链式调用的场景，代码简洁且易于扩展。

代码示例（基本数据类型）：

import java.util.ArrayList;
import java.util.Arrays;public class StreamForEachExample {public static void main(String[] args) {int[][] array = {{1, 2, 3},{4, 5, 6},{7, 8, 9}};ArrayList<ArrayList<Integer>> list = new ArrayList<>();Arrays.stream(array).forEach(row -> {ArrayList<Integer> tempList = new ArrayList<>();Arrays.stream(row).forEach(tempList::add);list.add(tempList);});System.out.println(list);  // 输出: [[1, 2, 3], [4, 5, 6], [7, 8, 9]]}
}

注意事项：

• forEach 用于流的遍历，但不能修改流本身的结构。
• 适合简单转换，但对于复杂链式操作建议使用 map 和 collect。

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3. 使用 Stream.map 和 collect（推荐）

适用场景：更优雅的流式处理方式，适合复杂数据转换或链式操作。

代码示例（基本数据类型）：

import java.util.Arrays;
import java.util.List;
import java.util.stream.Collectors;public class StreamMapExample {public static void main(String[] args) {int[][] array = {{1, 2, 3},{4, 5, 6},{7, 8, 9}};List<List<Integer>> list = Arrays.stream(array).map(row -> Arrays.stream(row).boxed()  // 将 int 转换为 Integer.collect(Collectors.toList())).collect(Collectors.toList());System.out.println(list);  // 输出: [[1, 2, 3], [4, 5, 6], [7, 8, 9]]}
}

代码示例（自定义类）：

import java.util.Arrays;
import java.util.List;
import java.util.stream.Collectors;public class OXOGame {public static void main(String[] args) {OXOPlayer[][] players = {{new OXOPlayer("O")},{new OXOPlayer("X")}};List<List<OXOPlayer>> playerList = Arrays.stream(players).map(row -> Arrays.stream(row).collect(Collectors.toList())).collect(Collectors.toList());playerList.forEach(row -> {row.forEach(player -> System.out.print(player.getPlayingLetter() + " "));System.out.println();});}
}class OXOPlayer {private String playingLetter;public OXOPlayer(String letter) {this.playingLetter = letter;}public String getPlayingLetter() {return playingLetter;}
}

注意事项：

• .boxed() 仅适用于基本数据类型，处理自定义类时无需使用。
• 使用 map 和 collect 可以实现链式操作，代码更简洁易读。

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4. 使用 flatMap 展平为一维列表（进阶用法）

适用场景：当需要将二维数组转换为一维列表时使用。

代码示例（自定义类展平）：

import java.util.Arrays;
import java.util.List;
import java.util.stream.Collectors;public class FlatMapExample {public static void main(String[] args) {OXOPlayer[][] players = {{new OXOPlayer("O"), new OXOPlayer("X")},{new OXOPlayer("X"), new OXOPlayer("O")}};List<OXOPlayer> flatList = Arrays.stream(players).flatMap(Arrays::stream).collect(Collectors.toList());flatList.forEach(player -> System.out.print(player.getPlayingLetter() + " "));// 输出: O X X O}
}class OXOPlayer {private String playingLetter;public OXOPlayer(String letter) {this.playingLetter = letter;}public String getPlayingLetter() {return playingLetter;}
}

注意事项：

• flatMap 会将嵌套的流展平成单层流，适合处理需要扁平化的数据结构。
• 展平后无法保留原有的二维结构，适合一维数据处理。

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总结

方法	适用场景	代码简洁性	是否支持链式操作	备注
嵌套 for-each 循环	简单遍历，适合初学者	一般	否	适用于简单数据转换，但代码较冗长
Stream.forEach	简单流式处理，适合中等规模数据	较简洁	否	不支持复杂链式操作，适用于遍历但不适合结构修改
Stream.map + collect	推荐方法，适合复杂数据转换和链式操作	非常简洁	是	支持高级流操作，适用于自定义类和基本数据类型
flatMap 展平处理	将二维数组转换为一维列表，适合扁平化需求	简洁	是	适合需要将嵌套结构扁平化处理的场景

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在 Java 中，你提到的这个情况其实是合法的，因为它使用的是嵌套类（Nested Class），而不是定义多个顶层 public class。

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1. 嵌套类的定义

在 Java 中，可以在一个类的内部定义另一个类，这种内部类可以是 public、protected、private 或 default 访问级别。内部类包括：

1. 静态嵌套类（Static Nested Class）
2. 非静态内部类（Inner Class）
3. 局部内部类（Local Class）
4. 匿名内部类（Anonymous Class）

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2. 你的代码属于静态嵌套类

你的代码中的 OutsideCellRangeException 是 OXOMoveException 的静态嵌套类，这是合法且常见的设计模式，特别是在定义特定异常子类时。

示例代码：

public class OXOMoveException extends RuntimeException {@Serial private static final long serialVersionUID = 1;public OXOMoveException(String message) {super(message);}// 定义枚举类型，用于表示行或列的错误public enum RowOrColumn { ROW, COLUMN }// 静态嵌套类，表示单元格超出范围的异常public static class OutsideCellRangeException extends OXOMoveException {public OutsideCellRangeException(String message) {super(message);}}
}

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3. 为什么可以在 public 类中定义 public 静态嵌套类？

• 访问控制不同于顶层类：在 Java 中，一个 .java 文件中只能有一个 public 的顶层类，文件名必须与该类名一致。然而，嵌套类不受此限制，可以在 public 顶层类中定义多个 public 嵌套类或枚举。

• 嵌套类的命名空间：嵌套类属于外部类的命名空间，OutsideCellRangeException 被视为 OXOMoveException.OutsideCellRangeException，而不是独立的顶层类。

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4. 如何使用嵌套类

你可以直接通过外部类访问嵌套的 OutsideCellRangeException 类：

public class Main {public static void main(String[] args) {try {throw new OXOMoveException.OutsideCellRangeException("Cell is outside the valid range.");} catch (OXOMoveException e) {System.out.println(e.getMessage());}}
}

输出：

Cell is outside the valid range.

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静态嵌套类的特点：不依赖外部类实例：静态嵌套类不需要外部类的实例，可以直接通过外部类的名称访问。

内部类和嵌套类的区别

类型	是否需要外部类实例	可使用的访问修饰符	常见用途
静态嵌套类	不需要	public, protected, private, 默认	定义工具类、异常类等
非静态内部类	需要	public, protected, private, 默认	访问外部类实例的成员变量
局部内部类	需要	无（局部作用域内有效）	定义在方法或代码块内，临时使用的类
匿名内部类	需要	无	简化接口或抽象类的快速实现

• 误解：认为一个 public 类中不能有另一个 public 类。

  • 解释：在同一个 .java 文件中，确实不能有两个 public 顶层类，但嵌套类（内部类）不受此限制，可以在一个 public 类中定义多个 public 嵌套类。

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总结你的前两个问题：

1. 第一个问题：异常定义的方式与 OXOGame 的兼容性

• 你的异常定义：
  你将所有异常类定义为 OXOMoveException 的 内部静态类（static class）。例如：

  public static class InvalidBoardSizeException extends OXOMoveException {public InvalidBoardSizeException() {super("Board size is larger than 9x9 or smaller than 3x3");}
  }
  

  在调用时，需要写成：

  throw new OXOMoveException.InvalidBoardSizeException();
  

• 出现的问题：

  • 未处理异常的报错： 当你在 OXOController 中抛出异常时，OXOGame 并没有显式的 try-catch 来捕获这个异常，导致 IDE 提示“未处理异常”。
  • 异常信息显示问题： OXOGame 中虽然捕获了 OXOMoveException，但显示的错误信息可能是异常类的全名（如 OXOMoveException$InvalidBoardSizeException），而不是你定义的具体错误消息。

• 原因：

  • 你的异常继承自 Exception，属于 检查型异常（Checked Exception），Java 强制要求在调用的地方处理（使用 try-catch 或在方法签名中 throws）。
  • OXOGame 中默认使用 exception.toString() 输出异常，而 toString() 默认返回的是类名，而不是异常消息。

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2. 第二个问题：如何在不修改 OXOGame 的前提下解决异常处理

• 解决方法：

  • 将异常从检查型异常改为非检查型异常： 将 OXOMoveException 改为继承 RuntimeException，使其成为 非检查型异常（Unchecked Exception），这样在 OXOGame 中调用时不需要显式处理异常，IDE 也不会报错。

    public class OXOMoveException extends RuntimeException {public OXOMoveException(String message) {super(message);}
    }
    

  • 重写 toString() 方法： 为了确保 OXOGame 捕获异常时能正确显示自定义的错误信息，重写 toString() 方法，让它返回 getMessage()：

    @Override
    public String toString() {return getMessage();  // 确保打印异常时显示的是消息而不是类名
    }
    

• 最终效果：

  • OXOGame 不需要任何修改，OXOController 中抛出的异常会被正确捕获并显示详细的错误信息。
  • 控制台输出：

    Game move exception: Board size is larger than 9x9 or smaller than 3x3
    

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异常定义对项目的影响：

1. 检查型异常 vs 非检查型异常：

   • 检查型异常（Checked Exception）：

     • 继承自 Exception，必须显式处理。
     • 如果不在调用的地方加 try-catch 或 throws，IDE 会报错。
     • 影响： 会强制你修改调用该异常的方法或类，违背题目不修改 OXOGame 的要求。

   • 非检查型异常（Unchecked Exception）：

     • 继承自 RuntimeException，不需要显式处理。
     • 即使调用的地方没有 try-catch，程序仍能正常运行，异常在运行时自动处理。
     • 影响： 可以在不修改 OXOGame 的情况下，正确抛出和捕获异常，符合题目要求。

2. 内部类 vs 外部类异常定义：

   • 内部类异常（如 OXOMoveException.InvalidBoardSizeException）：
     • 结构更紧凑，便于组织代码，但在引用时路径较长，可能导致代码可读性降低。
   • 外部类异常（如 InvalidBoardSizeException extends OXOMoveException）：
     • 结构清晰，引用简便，更符合常规的异常定义习惯。

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super 和 getMessage() 方法的解释：

1. super(message) 的作用：

   • super(message) 是调用父类构造函数的方法。在自定义异常中，调用 super(message) 将错误信息传递给 Exception 或 RuntimeException 的构造函数，保存到异常对象内部。
   • 示例：

     public InvalidBoardSizeException() {super("Board size is larger than 9x9 or smaller than 3x3");
     }
     

     这表示创建 InvalidBoardSizeException 对象时，错误消息 "Board size is larger than 9x9 or smaller than 3x3" 会被保存到异常对象中。

2. getMessage() 的作用：

   • getMessage() 是 Throwable 类中的方法，用于返回通过 super(message) 传入的错误信息。
   • 当你调用 exception.getMessage()，会返回你定义的错误消息。
   • 示例：

     catch (OXOMoveException e) {System.out.println(e.getMessage());  // 输出：Board size is larger than 9x9 or smaller than 3x3
     }
     

3. 为什么需要重写 toString() 方法：

   • 默认情况下，toString() 返回的是异常的类名和内存地址，类似：

     edu.uob.OXOMoveException$InvalidBoardSizeException
     

   • 为了确保打印异常时显示自定义的错误信息，可以重写 toString() 方法，让它返回 getMessage()：

     @Override
     public String toString() {return getMessage();
     }
     

   • 这样，即使调用的是 System.out.println(exception)，也会输出具体的错误消息，而不是类名。

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总结：

1. 你的异常定义（内部静态类）是正确的，但因为它们是 检查型异常，Java 强制要求在调用时显式处理，导致在 OXOGame 中无法直接兼容。
2. 将异常改为非检查型异常（继承 RuntimeException） 可以绕开显式处理的要求，满足题目不修改 OXOGame 的限制。
3. 使用 super(message) 传递错误信息，使用 getMessage() 获取错误信息，重写 toString() 确保异常信息正确显示。