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Java 容器之 List

📓 本文已归档到：「javacore」

List 是 Collection 的子接口，其中可以保存各个重复的内容。

List 概述

List 接口定义：

public interface List<E> extends Collection<E>

List 主要方法：

List 常见子类：

  • ArrayList - 动态数组。
  • LinkedList - 双链表。

ArrayList

ArrayList 要点

ArrayList 是一个数组队列，相当于动态数组。与 Java 中的数组相比，ArrayList 的容量可以动态增长。

ArrayList 定义：

public class ArrayList<E> extends AbstractList<E>
        implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable

从 ArrayList 的定义，不难看出 ArrayList 的一些基本特性：

  • ArrayList 实现 List 接口，能对它进行队列操作。
  • ArrayList 实现了 RandmoAccess 接口，即提供了随机访问功能。RandmoAccess 是 java 中用来被 List 实现，为 List 提供快速访问功能的。在 ArrayList 中，我们即可以通过元素的序号快速获取元素对象；这就是快速随机访问。
  • ArrayList 实现了 Cloneable 接口，即覆盖了函数 clone()，能被克隆。
  • ArrayList 实现 java.io.Serializable 接口，这意味着 ArrayList 支持序列化，能通过序列化去传输。
  • ArrayList 是非线程安全的。

ArrayList 原理

1. 概览

ArrayList 包含了两个重要的元素：elementData 和 size。

transient Object[] elementData;
private int size;
  1. elementData 它保存了添加到 ArrayList 中的元素。这个数组的默认大小为 10。
  2. size 则是动态数组的实际大小。

ArrayList 实现了 RandomAccess 接口，因此支持随机访问。这是理所当然的，因为 ArrayList 是基于数组实现的。

2. 序列化

ArrayList 具有动态扩容特性，因此保存元素的数组不一定都会被使用，那么就没必要全部进行序列化。ArrayList 重写了 writeObject() 和 readObject() 来控制只序列化数组中有元素填充那部分内容。

3. 扩容

添加元素时使用 ensureCapacityInternal() 方法来保证容量足够，如果不够时，需要使用 grow() 方法进行扩容，新容量的大小为 oldCapacity + (oldCapacity >> 1)，也就是旧容量的 1.5 倍。

扩容操作需要调用 Arrays.copyOf() 把原数组整个复制到新数组中，因此最好在创建 ArrayList 对象时就指定大概的容量大小，减少扩容操作的次数。

public boolean add(E e) {
    ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
    elementData[size++] = e;
    return true;
}

private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
    if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
        minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
    }

    ensureExplicitCapacity(minCapacity);
}

private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
    modCount++;

    // overflow-conscious code
    if (minCapacity - elementData.length > 0)
        grow(minCapacity);
}

private void grow(int minCapacity) {
    // overflow-conscious code
    int oldCapacity = elementData.length;
    int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
    if (newCapacity - minCapacity < 0)
        newCapacity = minCapacity;
    if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
        newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
    // minCapacity is usually close to size, so this is a win:
    elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
}

4. 删除元素

需要调用 System.arraycopy() 将 index+1 后面的元素都复制到 index 位置上，复制的代价很高。

public E remove(int index) {
    rangeCheck(index);

    modCount++;
    E oldValue = elementData(index);

    int numMoved = size - index - 1;
    if (numMoved > 0)
        System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index, numMoved);
    elementData[--size] = null; // clear to let GC do its work

    return oldValue;
}

5. Fail-Fast

modCount 用来记录 ArrayList 结构发生变化的次数。结构发生变化是指添加或者删除至少一个元素的所有操作，或者是调整内部数组的大小，仅仅只是设置元素的值不算结构发生变化。

在进行序列化或者迭代等操作时，需要比较操作前后 modCount 是否改变，如果改变了需要抛出 ConcurrentModificationException。

private void writeObject(java.io.ObjectOutputStream s)
    throws java.io.IOException{
    // Write out element count, and any hidden stuff
    int expectedModCount = modCount;
    s.defaultWriteObject();

    // Write out size as capacity for behavioural compatibility with clone()
    s.writeInt(size);

    // Write out all elements in the proper order.
    for (int i=0; i<size; i++) {
        s.writeObject(elementData[i]);
    }

    if (modCount != expectedModCount) {
        throw new ConcurrentModificationException();
    }
}

LinkedList

LinkedList 要点

LinkedList 基于双向链表实现。由于是双向链表，那么它的顺序访问会非常高效，而随机访问效率比较低。

LinkedList 定义：

public class LinkedList<E>
    extends AbstractSequentialList<E>
    implements List<E>, Deque<E>, Cloneable, java.io.Serializable

从 LinkedList 的定义，可以得出 LinkedList 的一些基本特性：

  • LinkedList 是一个继承于 AbstractSequentialList 的双向链表。它也可以被当作堆栈、队列或双端队列进行操作。
  • LinkedList 实现 List 接口，能对它进行队列操作。
  • LinkedList 实现 Deque 接口，即能将 LinkedList 当作双端队列使用。
  • LinkedList 实现了 Cloneable 接口，即覆盖了函数 clone()，能被克隆。
  • LinkedList 实现 java.io.Serializable 接口，这意味着 LinkedList 支持序列化。
  • LinkedList 是非线程安全的。

LinkedList 原理

1. 概览

LinkedList 包含两个重要的成员：first 和 last。

// 链表长度
transient int size = 0;

// 链表头节点
transient Node<E> first;

// 链表尾节点
transient Node<E> last;
  • size 表示双链表中节点的个数，初始为 0。
  • first 和 last 分别是双链表的头节点和尾节点。

Node 则表示链表中的实例。Node 中包含三个元素：prev, next, item。其中，prev 是该节点的上一个节点，next 是该节点的下一个节点，item 是该节点所包含的值。

private static class Node<E> {
    E item;
    Node<E> next;
    Node<E> prev;
    ...
}

小结

  • ArrayList 基于动态数组实现，LinkedList 基于双向链表实现；
  • ArrayList 支持随机访问，所以访问速度更快；LinkedList 在任意位置添加删除元素更快；
  • ArrayList 基于数组实现，存在容量限制，当元素数超过最大容量时，会自动扩容；LinkedList 基于双链表实现，不存在容量限制；
  • ArrayList 和 LinkedList 都不是线程安全的。

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