「javalist」Java基础--List

javalist

List是集合容器的一种，在分析List之前，我们先来了解一下集合体系的架构：

这里写图片描述

Why–为什么需要集合

首先，java是一门面向对象的语言，奉承一切皆对象的思想，在实际开发过程中，免不了要经常操作对象，而且会同时操作多个甚至大量对象，这时就需要一个专门存储这些对象的容器，这样就可以利用容器对象的特性来方便的进行操作。

其次，在Java中还有数组，也是一种容器，但和集合相比，数组长度不可变，只能存储同一种类型元素。

所以，Java提供了集合的概念，相比于数组，集合长度可变，可存储多种类型元素，只能存储引用类型元素；同时不同的集合容器，有不同的实现方法和特性，可以更加方便的对对象进行操作。

What–什么是List

List是一个继承了Collection的接口，里面有一些方法，如size()、isempty()等，代表一个元素有序，可重复的集合，集合中每个元素都有其对应的索引。

为什么元素“有序”、“可重复”呢？

首先，List的数据结构就是一个序列，存储内容时直接在内存中开辟一块连续的空间，然后将空间地址与索引对应。

其次，List接口的实现类在实现插入元素时，都会根据索引进行排列，如ArrayList，本质是一个数组，插入时元素互不干扰，自然可以重复。

由于List继承了Collection，所以就具有了Collection的方法：

int size();//集合中元素个数
isEmpty()；//是否为空
boolean contains(Object o);//比较地址是否相等
Iterator<E> iterator();//迭代器方法，可用于遍历
Object[] toArray();//转成数组
boolean add(E e);//向list尾部添加新元素
boolean remove(Object o);//删除元素
boolean containsAll(Collection<?> c);//集合A是否包含集合B（A为调用者）
boolean addAll(Collection<? extends E> c);//将集合B中元素添加到集合A中尾部（A为调用者）
boolean removeAll(Collection<?> c);//将两集合中的交集元素删除
int hashCode();//求哈希值

同时，也具有自己独特的方法（对索引的操作）：

E get(int index);//取出对应索引的元素
E set(int index, E element);//往指定索引中插入指定元素，并将原元素覆盖
void add(int index, E element);//往指定索引插入指定元素，其他元素依次后移一位
E remove(int index);//删除索引位置的元素，此位置后的元素前移一位
int indexof(Object o);//获取元素的索引，若有重复元素，则取最靠前的
int lastIndexOf(Object o);//从后往前数，第一个元素的索引
ListIterator<E> listIterator();//list独有迭代器，迭代式可以add元素
List<E> subList(int fromIndex, int toIndex);//截取原集合元素生成新的集合，值域为[fromIndex,toIndex)

List的三种实现：ArrayList、LinkedList和vector。三者都实现了List接口，区别在于实现机制不同，对不同的操作有不同的效率。

ArrayList是一个可以改变大小的数组，当更多的元素加入数组中时其大小将会动态的增长，内部元素可通过索引直接get或set。

LinkedList是一个双向链表，在添加和删除元素时有比ArrayList更好的性能，但查询某个元素时性能不如ArrayList。性能对比的前提是数据量很大或操作很频繁，否则对比也没意义了。

ArrayList与LinkedList相比，查询快，是因为索引可以直接定位到元素，而增删慢是因为当操作中间某个索引上的元素时，此位置空余出来，则其他相对靠后的元素会都往前顺移一位，可以想象，当数据量很大并且频繁操作时，只是操作其中的一个小元素，则牵一发而动全身；LinkedList是双向链表结构，查询慢，当查询某个元素时它会从头节点逐步查询（若index<链表长度的1/2，从前往后找，反之亦然），直到找到为止，而增删时只需改变其前后元素的指向即可。

Vector和ArrayList都是基于数组实现的，区别在于Vector的方法都是同步的（Synchronized），是线程安全的，而ArrayList不是，因此ArrayList性能要好于Vector；其次，当元素容量超过它们的初始容量时，Vector会扩容翻倍，而ArrayList只会扩充50%，有利于节省内存空间。

注意：ArrayList默认初始容量非常小，若可预估容量大小，可设置初始容量，这样可减少调整大小的开销，属于最佳实践。

How–ArrayList是如何实现的

由于ArrayList使用频率最高，所以让我们看下ArrayList是如何实现扩充的。　　

类关系和成员变量

public class ArrayList<E> extends AbstractList<E>
        implements List<E>, RandomAccess, cloneable, java.io.serializable
{
    private static final long serialversionuid = 8683452581122892189L;

    /**
     * Default initial capacity.  默认初始化容量
     */
    private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
    private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};  
    private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};

    /**
     * ArrayList基于数组实现
     */
    transient Object[] elementData; // non-private to simplify nested class access

    /**
     * ArrayList元素个数
     */
    private int size;

构造函数

 /**
     * 调用无参构造，会将DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA赋值于elementData，然后个数与当前size比较，
     * 不停用Arrays.copyOf()方法扩展数组大小
     */
 public ArrayList() {
        this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
    }

    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);
        }
    }

add（）

/**
     * 首先看到不管是尾部add还是操作索引add，都会确认当前的数组空间是否够插入数据，并且从grow（）方法中，
     * ArrayList默认每次自增50%大小再和minCapacity比较，如果还是不够，就把当前size扩充至minCapacity。
     * 如果是队尾插入，就把数组向后移动一位，然后赋值，若中间插入，则用到System.arraycopy，把index开始所有
     * 数据向后移动一位，然后插入
     */
    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);
    }

Set

作为同样继承了Collecton的Set，不允许有重复对象，无序排列元素、只允许一个null元素。使用频率较高的实现类有HashSet、LinkedHashSet和treeset。

fail-fast机制：（HashMap,Vector,ArrayList,HashSet）

在遍历一个集合时，集合结构被修改（增、删、改），会抛出Concurrent Modification Exception：

情况一：单线程环境。集合创建后，在遍历的过程中修改了结构。注意：remove（）方法会让expectModcount和modcount 相等，所以是不会抛出这个异常。

情况二：多线程环境。一个线程在遍历，另一个线程对集合结构进行修改。注意：迭代器的快速失败无法得到保证。

fail-fast机制是如何检测的?

迭代器在遍历过程中是直接访问内部数据的，因此内部数据再遍历过程中无法被修改，为了保证不被修改，迭代器内部维护了一个标记“mode”，当集合结构发生改变（添加删除或者修改），标记”mode”会被修改，而迭代器的每次的hasNext()和next()方法都会检查该”mode”是否被改变，当检测到被修改时，抛出Concurrent Modification Exception。

private class Itr implements Iterator<E> {
        int cursor;
        int lastRet = -1;
        int expectedModCount = ArrayList.this.modCount;

        public boolean hasNext() {
            return (this.cursor != ArrayList.this.size);
        }

        public E next() {
            checkForComodification();
            /** 省略此处代码 */
        }

        public void remove() {
            if (this.lastRet < 0)
                throw new IllegalStateException();
            checkForComodification();
            /** 省略此处代码 */
        }

        final void checkForComodification() {
            if (ArrayList.this.modCount == this.expectedModCount)
                return;
            throw new ConcurrentModificationException();
        }
    }

fail-safe机制：（CopyOnWriteArrayList,ConcurrentHashMap）

任何对集合结构的修改都会在一个复制的集合是修改，因此不会抛出ConcurrentModificationException。

问题一：需要复制集合，产生大量的无效对象，开销大。

问题二：无法保证读取的数据是目前原始结构中的数据。

When–什么时候会用到List

如果涉及到“栈”、“队列”、“链表”等操作，应该考虑用List，具体用哪个具体分析：需要快速插入或删除，用LinkedList；需要快速访问，用ArrayList；多线程环境，且List可能同时被多个线程操作，用vector。

当然，对于线程安全的List，也可以用CopyOnWriteArrayList,基于数组实现的线程安全（ReentrantLock加锁）的写时复制集合，性能比vector高，适合高并发的读多写少的场景。

CopyOnWrite容器，是一个写时复制容器，当我们往一个容器添加元素时，不是直接往当前容器添加，而是先将容器copy一份，复制出新的容器，然后对新的容器里的元素进行操作，最后将原容器的引用指向新的容器。所以，这是一种读写分离的思想，读和写不同的容器。缺点：若写操作频繁，会频繁复制容器，从而影响性能。

Other–使用List可能出现的问题

1.NullPointException和IndexOutOfBoundsException问题。List是一个容器对象，在业务逻辑中经常定义List容器，盛放多个业务对象，当容器中没有任何元素时，调用容器操作索引方法，则出现索引越界异常；当作为返参容器时，并没有查到数据，会返回null，此时就容易出现空指针异常。

2.Arrays.asList方法。我们经常用此API将数组转成List对象，但稍不注意就会报异常。

情况一：方法调用的入参为基本数据（byte、short、int、long、char、double、float、boolean）类型的数组时，结果会返回一个元素数量为1的集合，和原数据的元素个数无关，这样是因为此方法接收泛型参数，而基本类型不支持泛型化，而数组支持，所以那为1的元素是整个数组，实质存的是此数组的引用地址。

情况二：生成新的List集合后，调用add()方法，会出现UnsupportedOperationException异常。抽象类AbstractList定义了对List操作的方法如add等，但用此方法生成的list集合并没有实现它们，所以会报异常。解决：用new关键字创建一个List容器对象，而Arrays.asList作为构造参数入参传入。

文章最后发布于: 2018-08-29 18:16:00

Java基础--List