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Java数据结构-------List

三种List:ArrayList,Vector,LinkedList

  类继承关系图

    ArrayList和Vector通过数组实现,几乎使用了相同的算法;区别是ArrayList不是线程安全的,Vector绝大多数方法做了线程同步。

    LinkedList通过双向链表实现。

  源代码分析

    1、添加元素到列表尾端(Appends the specified element to the end of this list.)

      ArrayList:当所需容量超过当前ArrayList的大小时,需要进行扩容,对性能有一定的影响。

         优化策略:在能有效评估ArrayList数组初始值大小的情况下,指定其容量大小有助于性能提升,避免频繁的扩容。

    public boolean add(E e) {
        ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!! 确保内部数组有足够的空间
        elementData[size++] = e; //将元素放在数组尾部
        return true;
    }
    private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
        if (elementData == EMPTY_ELEMENTDATA) {
            minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);  //如果数组为空数组,取初始容量和minCapacity中的最大值,初始容量DEFAULT_CAPACITY = 10
        }

        ensureExplicitCapacity(minCapacity);
    }
    private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
        modCount++;  //被修改次数,iterator成员变量expectedModCount为创建时的modCount的值,用来判断list是否在迭代过程中被修改

        // overflow-conscious code
        if (minCapacity - elementData.length > 0)
            grow(minCapacity); //如果所需容量大小大于数组的大小就进行扩展
    }
    private void grow(int minCapacity) {
        // overflow-conscious code
        int oldCapacity = elementData.length;
        int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1); //旧容量的1.5倍。二进制右移一位差不多相当于十进制除以2,对CPU来说,右移比除运算速度更快。如果oldCapacity为偶数,newCapacity为1.5*oldCapacity,否则为1.5*oldCapacity-1。
        if (newCapacity - minCapacity < 0)  //如果计算出的容量不够用,就使用minCapacity
            newCapacity = minCapacity;
        if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)  //如果计算出的容量大于MAX_ARRAY_SIZE=Integer.MAX_VALUE-8,
            newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
        // minCapacity is usually close to size, so this is a win:
        elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);//调用System.arraycopy方法复制数组
    }
   //判断是否大于数组最大值Integer.MAX_VALUE,疑问:设置MAX_ARRAY_SIZE=Integer.MAX_VALUE-8的意义是什么?
  private static int hugeCapacity(int minCapacity) {
        if (minCapacity < 0) // overflow
            throw new OutOfMemoryError();
        return (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ?
            Integer.MAX_VALUE :
            MAX_ARRAY_SIZE;
    //
    }

      LinkedList:每次新增元素都需要new一个Node对象,并进行更多的赋值操作。在频繁的调用中,对性能会产生一定的影响。

    public boolean add(E e) {
        linkLast(e);
        return true;
    }
    void linkLast(E e) {
        final Node<E> l = last;
        final Node<E> newNode = new Node<>(l, e, null); //每增加一个节点,都需要new一个Node
        last = newNode;
        if (l == null)
            first = newNode;
        else
            l.next = newNode;
        size++;
        modCount++;
    }

    2、在列表任意位置添加元素

      ArrayList:基于数组实现,数组需要一组连续的内存空间,如果在任意位置插入元素,那么该位置之后的元素需要重新排列,效率低。

     public void add(int index, E element) {
        rangeCheckForAdd(index);//检查索引是否越界

        ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
        System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,
                         size - index);//每次操作都会进行数组复制,System.arraycopy可以实现数组自身的复制
        elementData[index] = element;
        size++;
    }
    
    private void rangeCheckForAdd(int index) {
        if (index > size || index < 0)
            throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
    }

      LinkedList:先找到指定位置的元素,然后在该元素之前插入元素。在首尾插入元素,性能较高;在中间位置插入,性能较低。

     //在列表指定位置添加元素
     public void add(int index, E element) {
        checkPositionIndex(index);//检查索引是否越界

        if (index == size) //index为列表大小,相当于在列表尾部添加元素
            linkLast(element);
        else
            linkBefore(element, node(index));
    }

    //返回指定索引的元素,在首尾查找速度快,在中间位置查找速度较慢,需要遍历列表的一半元素。
    Node<E> node(int index) {
        // assert isElementIndex(index);

        if (index < (size >> 1)) {  //如果index在列表的前半部分,从头结点开始向后遍历
            Node<E> x = first;
            for (int i = 0; i < index; i++)
                x = x.next;
            return x;
        } else {  //如果index在列表的后半部分,从尾结点开始向前遍历
            Node<E> x = last;
            for (int i = size - 1; i > index; i--)
                x = x.prev;
            return x;
        }
    }

    //在指定节点succ之前添加元素
    void linkBefore(E e, Node<E> succ) {
        // assert succ != null;
        final Node<E> pred = succ.prev;
        final Node<E> newNode = new Node<>(pred, e, succ);
        succ.prev = newNode;
        if (pred == null) //只有succ一个节点
            first = newNode;
        else
            pred.next = newNode;
        size++;
        modCount++;
    }

    3、删除任意位置元素

      ArrayList:每次删除都会复制数组。删除的位置越靠前,开销越大;删除的位置越靠后,开销越小。

    public E remove(int index) {
        rangeCheck(index);//检查索引是否越界

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

        int numMoved = size - index - 1;
        if (numMoved > 0)
            System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,
                             numMoved);//将删除位置后面的元素往前移动一位
        elementData[--size] = null; // clear to let GC do its work  最后一个位置设置为null

        return oldValue;
    }

      LinkedList:先通过循环找到要删除的元素,然后删除该元素。删除首尾的元素,效率较高;删除中间元素,效率较差。

    public E remove(int index) {
        checkElementIndex(index);
        return unlink(node(index));
    }

    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) {  //x为第一个元素
            first = next;
        } else {
            prev.next = next;
            x.prev = null;
        }

        if (next == null) {  //x为最后一个元素
            last = prev;
        } else {
            next.prev = prev;
            x.next = null;
        }

        x.item = null;
        size--;
        modCount++;
        return element;
    }

    4、遍历列表

      三种遍历方式:foreach,迭代器,for遍历随机访问。

      foreach的内部实现也是使用迭代器进行遍历,但由于foreach存在多余的赋值操作,比直接使用迭代器稍慢,影响不大。for遍历随机访问对ArrayList性能较好,对LinkedList是灾难性的。

  并发List

    Vector和CopyOnWriteArrayList是线程安全的实现;

    ArrayList不是线程安全的,可通过Collections.synchronizedList(list)进行包装。

    CopyOnWriteArrayList,读操作不需要加锁,

      1、读操作

        CopyOnWriteArrayList:读操作没有锁操作

    public E get(int index) {
        return get(getArray(), index);
    }

    final Object[] getArray() {
        return array;
    }
    
    private E get(Object[] a, int index) {
        return (E) a[index];
    }

        Vector:读操作需要加对象锁,高并发情况下,锁竞争影响性能。

    public synchronized E get(int index) {
        if (index >= elementCount)
            throw new ArrayIndexOutOfBoundsException(index);

        return elementData(index);
    }

      2、写操作

        CopyOnWriteArrayList:需要加锁且每次写操作都需要进行一次数组复制,性能较差。

    public boolean add(E e) {
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lock();
        try {
            Object[] elements = getArray();
            int len = elements.length;
            Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);  //通过复制生成数组副本
            newElements[len] = e;  //修改副本
            setArray(newElements); //将副本写会
            return true;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

        Vector:和读一样需要加对象锁,相对CopyOnWriteArrayList来说不需要复制,写性能比CopyOnWriteArrayList要高。

    public synchronized boolean add(E e) {
        modCount++;
        ensureCapacityHelper(elementCount + 1); //确认是否需要扩容
        elementData[elementCount++] = e;
        return true;
    }
    private void ensureCapacityHelper(int minCapacity) {
        // overflow-conscious code
        if (minCapacity - elementData.length > 0)
            grow(minCapacity);
    }

      总结:在读多写少的高并发应用中,适合使用CopyOnWriteArrayList;在读少写多的高并发应用中,Vector更适合。

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