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2019-11-22 本文已影响0人
JunL_Dev
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前言
声明，本文用得是jdk1.8
前一篇已经讲了Collection的总览：Collection总览，介绍了一些基础知识。
现在这篇主要讲List集合的三个子类：
- ArrayList ： 底层数据结构是数组。线程不安全
- LinkedList ： 底层数据结构是链表。线程不安全
- Vector : 底层数据结构是数组。线程安全
1. ArrayList 解析
ArrayList
来看一下ArrayList的属性：
根据上面我们可以清晰的发现：ArrayList底层其实就是一个数组，ArrayList中有扩容这么一个概念，正因为它扩容，所以它能够实现“动态”增长
1.2 构造方法
我们来看看构造方法来印证我们上面说得对不对：
/**
* 构造具有指定初始容量的空列表.
*
* @param 初始容量列表的初始容量
* @throws 如果指定的初始容量为负，则为IllegalArgumentException
*/
public ArrayList(int initialCapacity) {
if (initialCapacity > 0) {
this.elementData = new Object[initialCapacity];
} else if (initialCapacity == 0) {
this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
} else {
throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+ initialCapacity);
}
}
/**
* 构造初始容量为10的空列表
*/
public ArrayList() {
this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
}
/**
* 构造包含指定集合的元素的列表，按集合的迭代器返回这些元素的顺序。
*
* @param c the collection whose elements are to be placed into this list
* @throws NullPointerException if the specified collection is null
*/
public ArrayList(Collection<? extends E> c) {
elementData = c.toArray();
if ((size = elementData.length) != 0) {
// c.toArray might (incorrectly) not return Object[] (see 6260652)
if (elementData.getClass() != Object[].class)
elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class);
} else {
// replace with empty array.
this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
}
}
1.3 Add 方法
add方法可以说是ArrayList比较重要的方法了，我们来总览一下：
/**
* 将指定的元素追加到此列表的末尾
*
* @param e 要附加到此列表的元素
* @return <tt>true</tt> (as specified by {@link Collection#add})
*/
public boolean add(E e) {
// 检查是否需要扩容
ensureCapacityInternal(size + 1); // Increments modCount!!
// 插入元素
elementData[size++] = e;
return true;
}
/**
* 在此列表中的指定位置插入指定元素。将当前位于该位置的元素（如果有）和任何后续元素向右移动（将一个元素添加到其索引中）
*
* @param index 要插入指定元素的索引
* @param element 要插入的元素
* @throws IndexOutOfBoundsException {@inheritDoc}
*/
public void add(int index, E element) {
rangeCheckForAdd(index);
ensureCapacityInternal(size + 1); // 增量modCount!!
System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,
size - index);
elementData[index] = element;
size++;
}
1.3.1 add(E e)
该方法很短，可以从方法名猜到干了什么：
public boolean add(E e) {
ensureCapacityInternal(size + 1); // Increments modCount!!
elementData[size++] = e;
return true;
}
- 确认list容量，尝试容量加1，看看有无必要
- 添加元素
接下来看一下 * ensureCapacityInternal* 方法
private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
//存储ArrayList元素的数组缓冲区。ArrayList的容量是此数组缓冲区的长度。添加第一个元素时，elementData== DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA 的任何空ArrayList都将扩展为DEFAULT_CAPACITY。
if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
}
ensureExplicitCapacity(minCapacity);
}
private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
modCount++;
// 如果要的最小容量比数组的长度要大，要么就调用 grow() 来扩容
//(例如：当添加第11个元素时，minCapacity 为 11，数组长度为10，那么就要扩容了)
if (minCapacity - elementData.length > 0)
grow(minCapacity);
}
所以，接下来看看grow()是怎么实现的
/**
* 增加容量以确保它至少可以容纳由最小容量参数指定的元素数。
*
* @param minCapacity 所需的最小容量
*/
private void grow(int minCapacity) {
// oldCapacity 旧数组的长度
int oldCapacity = elementData.length;
// 扩容 1.5 倍
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);
}
private static int hugeCapacity(int minCapacity) {
if (minCapacity < 0) // overflow
throw new OutOfMemoryError();
return (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ?
Integer.MAX_VALUE :
MAX_ARRAY_SIZE;
}
进去看 copyOf() 方法：
/**
* 复制指定的数组，截断或填充空值（如果需要），使副本具有指定的长度。对于在原始数组和副本中都有效的所有索引，这两个数
* 组将包含相同的值。对于在副本中有效但不是原始索引的任何索
* 引，副本将包含 null。
* 当且仅当指定长度大于原始数组时，这些索引将存在。
* 生成的数组属于新类型。
*
* @param <U> the class of the objects in the original array
* @param <T> the class of the objects in the returned array
* @param original the array to be copied
* @param newLength the length of the copy to be returned
* @param newType the class of the copy to be returned
* @return a copy of the original array, truncated or padded with nulls
* to obtain the specified length
* @throws NegativeArraySizeException if <tt>newLength</tt> is negative
* @throws NullPointerException if <tt>original</tt> is null
* @throws ArrayStoreException if an element copied from
* <tt>original</tt> is not of a runtime type that can be stored in
* an array of class <tt>newType</tt>
* @since 1.6
*/
public static <T,U> T[] copyOf(U[] original, int newLength, Class<? extends T[]> newType) {
@SuppressWarnings("unchecked")
T[] copy = ((Object)newType == (Object)Object[].class)
? (T[]) new Object[newLength]
: (T[]) Array.newInstance(newType.getComponentType(), newLength);
System.arraycopy(original, 0, copy, 0,
Math.min(original.length, newLength));
return copy;
}
总结 add(E e) :
- 首先去检查一下数组的容量是否足够
- 扩容到原来的1.5倍
- 第一次扩容后，如果容量还是小于minCapacity，就将容量扩充为minCapacity
- 足够：直接添加
- 不足够：扩容
1.3.2 add(int index, E element)
步骤：
- 检查角标
- 空间检查，如果有需要进行扩容
- 插入元素
先看代码：
/**
* 在此列表中的指定位置插入指定元素。将当前位于该位置的元素（如果有）和任何后续元素向右移动（将一个元素添加到其索引中）
*
* @param index 要插入指定元素的索引
* @param element 要插入的元素
* @throws IndexOutOfBoundsException {@inheritDoc}
*/
public void add(int index, E element) {
// 检查角标是否越界
rangeCheckForAdd(index);
// 扩容
ensureCapacityInternal(size + 1); // Increments modCount!!
// 调用 System.arraycopy 来进行插入
System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,
size - index);
elementData[index] = element;
size++;
}
我们发现，与扩容相关 ArrayList 的 add 方法底层其实都是 arraycopy() 来实现的
看到 arraycopy()，我们可以发现：该方法是由 C/C++ 来编写的，并不是由 Java 实现：
public static native void arraycopy(@NonNull Object var0, int var1, @RecentlyNonNull Object var2, int var3, int var4);
总的来说：arraycopy()还是比较可靠高效的一个方法。
参考R大回答：https://www.zhihu.com/question/53749473
1.4 get 方法
步骤
- 检查角标
- 返回元素
来看代码：
/**
* 获取列表中指定位置的元素.
*
* @param index 要返回的元素的索引
* @return 返回此列表中指定位置的元素
* @throws IndexOutOfBoundsException {@inheritDoc}
*/
public E get(int index) {
// 检查角标
rangeCheck(index);
// 返回具体元素
return elementData(index);
}
接着看看 rangeCheck() 和 * elementData()* 方法的代码：
// 检查角标
private void rangeCheck(int index) {
if (index >= size)
throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
}
// 返回元素
E elementData(int index) {
return (E) elementData[index];
}
1.5 set 方法
步骤：
- 检查角标
- 替代元素
- 返回旧值
接着看代码：
/**
* 用指定的元素替换此列表中指定位置的元素
*
* @param index 要替换的元素的索引
* @param element 要存储在指定位置的元素
* @return 以前位于指定位置的元素
* @throws IndexOutOfBoundsException {@inheritDoc}
*/
public E set(int index, E element) {
rangeCheck(index);
E oldValue = elementData(index);
elementData[index] = element;
return oldValue;
}
1.6 remove 方法
步骤
- 检查角标
- 删除元素
- 计算出需要移动的个数，并移动
- 设置为null，让Gc回收
看代码：
/**
* 删除此列表中指定位置的元素.
* 将任何后续元素向左移动（从其索引中减去一个).
*
* @param index 要删除的元素的索引
* @return 从列表中删除的元素
* @throws IndexOutOfBoundsException {@inheritDoc}
*/
public E remove(int index) {
rangeCheck(index);
modCount++;
E oldValue = elementData(index);
// 需要左移动的个数
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;
}
1.7 总结 ArrayList
- ArrayList 是基于动态数组实现的，在增删时候，需要数组的拷贝复制。
- ArrayList 的默认初始化容量是
10，每次扩容时候增加原先容量的一半，也就是变为原来的1.5倍 - 删除元素时不会减少容量，若希望减少容量则调用 trimToSize()
- 它不是线程安全的。它能存放 null 值。
2 Vector 与 ArrayList 区别
Vector是jdk1.2的类了，比较老旧的一个集合类
Vector底层也是数组，与ArrayList最大的区别就是：同步(线程安全)
Vector是同步的，我们可以从方法上就可以看得出来
Vector 方法
在要求非同步的情况下，我们一般都是使用 ArrayList 来替代 Vector 的了
如果想要 ArrayList 实现同步，可以使用 Collections 的方法：List list = Collections.synchronizedList(new ArrayList(...));，就可以实现同步了
还有另一个区别：
ArrayList在底层数组不够用时在原来的基础上扩展0.5倍，Vector是扩展1倍。
private void grow(int minCapacity) {
// overflow-conscious code
int oldCapacity = elementData.length;
int newCapacity = oldCapacity + ((capacityIncrement > 0) ?
capacityIncrement : oldCapacity);
if (newCapacity - minCapacity < 0)
newCapacity = minCapacity;
if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
}
Vector源码的解析可参考：
3 LinkedList 解析
LinkedList
LinkedList底层是双向链表，而且是内部类
image.png
从结构上，我们还看到了 LinkedList 实现了 Deque 接口，因此，我们可以操作 LinkedList 像操作队列和栈一样
Deque
3.1 构造方法
LinkedList的构造方法有两个：
/**
* 构造空列表
*/
public LinkedList() {
}
/**
* 构造包含指定集合的元素的列表，按集合的迭代器返回这些元素的顺序。
*
* @param c 要将其元素放入此列表中的集合
* @throws NullPointerException if the specified collection is null
*/
public LinkedList(Collection<? extends E> c) {
this();
addAll(c);
}
3.2 add 方法
add方法实际上就是往链表最后添加元素：
/**
* 在列表的开头插入指定的元素.
*
* @param e 要插入的元素
*/
public void addFirst(E e) {
linkFirst(e);
}
/**
* Links e as first element.
*/
private void linkFirst(E e) {
//first 指向第一个节点的指针
final Node<E> f = first;
final Node<E> newNode = new Node<>(null, e, f);
first = newNode;
if (f == null)
last = newNode;
else
f.prev = newNode;
size++;
modCount++;
}
3.3 remove 方法
先看代码：
/**
* 从列表中删除指定元素的第一个匹配项（如果存在）。如果此列
*表不包含元素，则它将保持不变。更正式地说，删除索引最低的元素
* {@code i} such that
* <tt>(o==null ? get(i)==null : o.equals(get(i)))</tt>
* (if such an element exists). Returns {@code true} if this list
* contained the specified element (or equivalently, if this list
* changed as a result of the call).
*
* @param o element to be removed from this list, if present
* @return {@code true} if this list contained the specified element
*/
public boolean remove(Object o) {
if (o == null) {
for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
if (x.item == null) {
unlink(x);// 删除元素
return true;
}
}
} else {
for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
if (o.equals(x.item)) {
unlink(x);
return true;
}
}
}
return false;
}
再看 unlink 方法
/**
* Unlinks non-null node x.
*/
E unlink(Node<E> x) {
// assert x != null;
final E element = x.item;
final Node<E> next = x.next;
final Node<E> prev = x.prev;
if (prev == null) {
first = next;
} else {
prev.next = next;
x.prev = null;
}
if (next == null) {
last = prev;
} else {
next.prev = prev;
x.next = null;
}
x.item = null;
size--;
modCount++;
return element;
}
实际上就是下面那个图的操作：
双向链表中删除结点
3.4 get 方法
可以看到get方法实现就两段代码：
/**
* 返回此列表中指定位置的元素.
*
* @param index index of the element to return
* @return the element at the specified position in this list
* @throws IndexOutOfBoundsException {@inheritDoc}
*/
public E get(int index) {
checkElementIndex(index);
return node(index).item;
}
看一下 node 方法的相关代码：
/**
* Returns the (non-null) Node at the specified element index.
*/
Node<E> node(int index) {
// assert isElementIndex(index);
// 下角标小于长度一半，那就从头开始遍历
if (index < (size >> 1)) {
Node<E> x = first;
for (int i = 0; i < index; I++)
x = x.next;
return x;
} else {
//否则从尾部开始遍历
Node<E> x = last;
for (int i = size - 1; i > index; I--)
x = x.prev;
return x;
}
}
3.5 set 方法
set方法和get方法其实差不多，根据下标来判断是从头遍历还是从尾遍历
/**
* 用指定的元素替换此列表中指定位置的元素
*
* @param index index of the element to replace
* @param element element to be stored at the specified position
* @return the element previously at the specified position
* @throws IndexOutOfBoundsException {@inheritDoc}
*/
public E set(int index, E element) {
checkElementIndex(index);
Node<E> x = node(index);
E oldVal = x.item;
x.item = element;
return oldVal;
}
LinkedList的方法比ArrayList的方法多太多了，具体可参考：
https://blog.csdn.net/panweiwei1994/article/details/77110354
https://zhuanlan.zhihu.com/p/24730576
https://zhuanlan.zhihu.com/p/28373321
4 总结
其实集合的源码看起来并不是很困难，遇到问题可以翻一翻，应该是能够看懂的~
ArrayList、LinkedList、Vector算是在面试题中比较常见的的知识点了。下面我就来做一个简单的总结：
ArrayList
- 底层实现是数组
- ArrayList 的默认初始化容量是 10，每次扩容的时候增加原来容量的一半，也就是变为原来的 1.5 倍
- 在 增删的时候，需要数组的拷贝复制（native 方法由 C/C++ 实现）
LinkedList
- 底层实现是双向链表[双向链表方便实现往前遍历]
Vector
- 底层是数组，现在已少用，被 ArrayLis t替代，原因有两个：
- Vector 所有方法都是同步，有性能损失
- Vector初始 length 是 10 超过 length 时 以 100% 比率增长，相比于 ArrayList 更多消耗内存
总的来说：查询多用 ArrayList，增删多用 LinkedList。
ArrayList 增删慢不是绝对的(在数量大的情况下，已测试)：
- 如果增加元素一直是使用 add() (增加到末尾)的话，那是 ArrayList要快
- 一直删除末尾的元素也是 ArrayList 要快【不用复制移动位置】
至于如果删除的是中间的位置的话，还是 ArrayList 要快！
但一般来说：增删多还是用 LinkedList，因为上面的情况是极端的
参考资料：
- https://blog.csdn.net/panweiwei1994/article/details/76555359
- https://zhuanlan.zhihu.com/p/28216267
- 《Core Java》
申明：开始和结束的图片来源网络，侵删
End
