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精解四大集合框架:List核心知识总结

Java集合框架早也是个老话题了,今天主要是总结一下关于Java中的集合框架List的核心知识点。肯定有人会问,这篇写的是List那接下来就还有三篇?是的,java集合框架一共会有四篇。希望通过这个系列能让你全面的get到Java集合框架的核心知识点。

目的

更希望通过这个系列的文章有所收获,不仅可以用于工作中,也可以用于面试中。

Java 集合是一个存储相同类型数据的容器,类似数组,集合可以不指定长度,但是数组必须指定长度。集合类主要从 Collection 和 Map 两个根接口派生出来,比如常用的 ArrayList、LinkedList、HashMap、HashSet、ConcurrentHashMap 等等。包目录:java.util

学过Java的都知道Java有四大集合框架,JDK版本1.8

  1. List
  2. Set
  3. Queue
  4. Map

常用集合UML类图

下面展示常用的集合框架(下面图中的两种线:虚线为实现,实线为继承)

ArrayList

ArrayList 是基于动态数组实现,容量能自动增长的集合。随机访问效率高,随机插入、随机删除效率低。线程不安全,多线程环境下可以使用 Collections.synchronizedList(list) 函数返回一个线程安全的 ArrayList 类,也可以使用 concurrent 并发包下的 CopyOnWriteArrayList 类。

动态数组,是指当数组容量不足以存放新的元素时,会创建新的数组,然后把原数组中的内容复制到新数组。

主要属性:

//存储实际数据,使用transient修饰,序列化的时不会被保存
transient Object[] elementData;
//元素的数量,即容量。
private int size;

数据结构:动态数组

特征:

  1. 允许元素为 null;
  2. 查询效率高、插入、删除效率低,因为大量 copy 原来元素;
  3. 线程不安全。

使用场景:

  1. 需要快速随机访问元素
  2. 单线程环境

常用方法介绍

add(element) 流程:添加元素

    private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;    
    //添加的数据e放在list的后面
    public boolean add(E e) {
        ensureCapacityInternal(size + 1); 
        elementData[size++] = e;
        return true;
    }
    private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
        ensureExplicitCapacity(calculateCapacity(elementData, minCapacity));
    }
    private static int calculateCapacity(Object[] elementData, int minCapacity) {
        if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
            return Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
        }
        return minCapacity;
    }
  1. 判断当前数组是否为空,如果是则创建长度为 10(默认)的数组,因为 new ArrayList 的时没有初始化;
  2. 判断是否需要扩容,如果当前数组的长度加 1(即 size+1)后是否大于当前数组长度,则进行扩容 grow();
  3. 最后在数组末尾添加元素,并 size+1。

grow() 流程:扩容

    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);
    }
  1. 创建新数组,长度扩大为原数组的 1.5 倍(oldCapacity >> 1就是相当于10>>1==10/2=5,二进制位运算);
  2. 如果扩大 1.5 倍还是不够,则根据实际长度来扩容,比如 addAll() 场景;
  3. 将原数组的数据使用 System.arraycopy(native 方法)复制到新数组中。

add(index,element) 流程:向指定下标添加元素

    public void add(int index, E element) {
        rangeCheckForAdd(index);

        ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
        System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,
                         size - index);
        elementData[index] = element;
        size++;
    }
    private void rangeCheckForAdd(int index) {
        if (index > size || index < 0)
            throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
    }
  1. 检查 index 是否在数组范围内,假如数组长度是 2,则 index 必须 >=0 并且 <=2,否则报 IndexOutOfBoundsException 异常;
  2. 扩容检查;
  3. 通过拷贝方式,把数组位置为 index 至 size-1 的元素都往后移动一位,腾出位置之后放入元素,并 size+1。

set(index,element) 流程:设置新值,返回旧值

   public E set(int index, E element) {
        rangeCheck(index);

        E oldValue = elementData(index);
        elementData[index] = element;
        return oldValue;
    }
    private void rangeCheck(int index) {
        if (index >= size)
            throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
    }
  1. 检查 index 是否在数组范围内,假如数组长度是 2,则 index 必须 小于<2,下标是从0开始的,size=2说明下标只有0和1;
  2. 保留被覆盖的值,因为最后需要返回旧的值;
  3. 新元素覆盖位置为 index 的旧元素,返回旧值。

get(index) 流程:通过下标获取list中的数据

    public E get(int index) {
        rangeCheck(index);
        return elementData(index);
    }
  1. 判断下标有没有越界;
  2. 直接通过数组下标来获取数组中对应的元素,get 的时间复杂度是 O(1)。

remove(index) 流程:按照下标移除lsit中的数据

    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;
    }
  1. 检查指定位置是否在数组范围内,假如数组长度是 2,则 index 必须 >=0 并且 < 2;
  2. 保留要删除的值,因为最后需要返回旧的值;
  3. 计算出需要移动元素个数,再通过拷贝使数组内位置为 index+1 到 size-1 的元素往前移动一位,把数组最后一个元素设置为 null(精辟小技巧),返回旧值。

remove(object) 流程:

    public boolean remove(Object o) {
        if (o == null) {
            for (int index = 0; index < size; index++)
                if (elementData[index] == null) {
                    fastRemove(index);
                    return true;
                }
        } else {
            for (int index = 0; index < size; index++)
                if (o.equals(elementData[index])) {
                    fastRemove(index);
                    return true;
                }
        }
        return false;
    } 
    private void fastRemove(int index) {
        modCount++;
        int numMoved = size - index - 1;
        if (numMoved > 0){
        //数组拷贝    
        System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,
                             numMoved);
        }    
        //方便GC
        elementData[--size] = null;
    }
  1. 遍历数组,比较obejct是否存在于数组中;
  2. 计算出需要移动元素个数,再通过拷贝使数组内位置为 index+1 到 size-1 的元素往前移动一位,把数组最后一个元素设置为 null(精辟小技巧)。

总结:

  1. new ArrayList 创建对象时,如果没有指定集合容量则初始化为 0;如果有指定,则按照指定的大小初始化;
  2. 扩容时,先将集合扩大 1.5 倍,如果还是不够,则根据实际长度来扩容,保证都能存储所有数据,比如 addAll() 场景。
  3. 如果新扩容后数组长度大于(Integer.MAX_VALUE-8),则抛出 OutOfMemoryError。
  4. 建议在使用的时候,先评估一下要存多少数据,然后就可以大致或者准确的给ArrayList指定大小,这样就会避免不断多次扩容对系统带来的开销。

LinkedList

LinkedList 是可以在任何位置进行插入移除操作的有序集合,它是基于双向链表实现的,线程不安全。LinkedList 功能比较强大,可以实现队列双向队列

主要属性:

//链表长度
transient int size = 0;
//头部节点
transient Node<E> first;
//尾部节点
transient Node<E> last;

/**
* 静态内部类,存储数据的节点
* 前驱结点、后继结点,那证明至少是双向链表
*/
private static class Node<E> {
    //自身结点
    E item;
    //下一个节点
    Node<E> next;
    //上一个节点
    Node<E> prev;
}

数据结构:双向链表

特征:

  1. 允许元素为 null;
  2. 插入和删除效率高,查询效率低;
  3. 顺序访问会非常高效,而随机访问效率(比如 get 方法)比较低;
  4. 既能实现栈 Stack(后进先出),也能实现队列(先进先出), 也能实现双向队列,因为提供了 xxxFirst()、xxxLast() 等方法;
  5. 线程不安全。

使用场景:

  1. 需要快速插入,删除元素
  2. 按照顺序访问其中的元素
  3. 单线程环境

add() 流程:

  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);
        last = newNode;
        if (l == null)
            first = newNode;
        else
            l.next = newNode;
        size++;
        modCount++;
    }
  1. 创建一个新结点,结点元素 e为传入参数,前继节点 prev 为“当前链表 last 结点”,后继节点 next 为 null;
  2. 判断当前链表 last 结点是否为空,如果是则把新建结点作为头结点,如果不是则把新结点作为 last 结点。
  3. 最后返回 true。

get(index) 流程:

    public E get(int index) {
        checkElementIndex(index);
        return node(index).item;
    }
    /**
     * Returns the (non-null) Node at the specified element index.
     */
    Node<E> node(int index) {
        if (index < (size >> 1)) {
            Node<E> x = first;
            for (int i = 0; i < index; i++)
                x = x.next;
            return x;
        } else {
            Node<E> x = last;
            for (int i = size - 1; i > index; i--)
                x = x.prev;
            return x;
        }
    }
    private void checkElementIndex(int index) {
        if (!isElementIndex(index))
            throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
    }
    private boolean isElementIndex(int index) {
        return index >= 0 && index < size;
    }
  1. 检查 index 是否在数组范围内,假如数组长度是 2,则 index 必须 >=0 并且 < 2;
  2. index 小于“双向链表长度的 1/2”则从头开始往后遍历查找,否则从链表末尾开始向前遍历查找。

remove() 流程:

    public E remove(int index) {
        checkElementIndex(index);
        return unlink(node(index));
    }
    private void checkElementIndex(int index) {
        if (!isElementIndex(index))
            throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
    }
  1. 判断 first 结点是否为空,如果是则报 NoSuchElementException 异常;
  2. 如果不为空,则把待删除结点的 next 结点的 prev 属性赋值为 null,达到删除头结点的效果。
  3. 返回删除值。

Vector

Vector 是矢量队列,也是基于动态数组实现,容量可以自动扩容。跟 ArrayList 实现原理一样,但是 Vector 是线程安全,使用 Synchronized 实现线程安全,性能非常差,已被淘汰,使用 CopyOnWriteArrayList 替代 Vector

主要属性:

//存储实际数据
protected Object[] elementData;
//动态数组的实际大小
protected int elementCount;
//动态数组的扩容系数
protected int capacityIncrement;

数据结构:动态数组

特征:

  1. 允许元素为 null;
  2. 查询效率高、插入、删除效率低,因为需要移动元素;
  3. 默认的初始化大小为 10,没有指定增长系数则每次都是扩容一倍,如果扩容后还不够,则直接根据参数长度来扩容;
  4. 线程安全,性能差(Synchronized),使用 CopyOnWriteArrayList 替代 Vector。

使用场景:多线程环境

为什么是线程安全的,看看下面的几个常用方法就知道了。

    public synchronized void addElement(E obj) {
        modCount++;
        ensureCapacityHelper(elementCount + 1);
        elementData[elementCount++] = obj;
    }
    public boolean remove(Object o) {
        return removeElement(o);
    }
    public synchronized boolean removeElement(Object obj) {
        modCount++;
        int i = indexOf(obj);
        if (i >= 0) {
            removeElementAt(i);
            return true;
        }
        return false;
    }
    public synchronized E get(int index) {
        if (index >= elementCount)
            throw new ArrayIndexOutOfBoundsException(index);

        return elementData(index);
    }
    public synchronized boolean add(E e) {
        modCount++;
        ensureCapacityHelper(elementCount + 1);
        elementData[elementCount++] = e;
        return true;
    }

这几个常用方法中,方法都是使用同步锁synchronized修饰,所以它是线程安全的。

Stack

Stack 是栈,先进后出原则,Stack 继承 Vector,也是通过数组实现,线程安全。因为效率比较低,不推荐使用,可以使用 LinkedList(线程不安全)或者 ConcurrentLinkedDeque(线程安全)来实现先进先出的效果。

数据结构:动态数组

构造函数:只有一个默认 Stack()

特征:先进后出

实现原理:

  1. Stack 执行 push() 时,将数据推进栈,即把数据追加到数组的末尾。
  2. Stack 执行 peek 时,取出栈顶数据,不删除此数据,即获取数组首个元素。
  3. Stack 执行 pop 时,取出栈顶数据,在栈顶删除数据,即删除数组首个元素。
  4. Stack 继承于 Vector,所以 Vector 拥有的属性和功能,Stack 都拥有,比如 add()、set() 等等。
public class Stack<E> extends Vector<E> {
//....
}

CopyOnWriteArrayList

CopyOnWriteArrayList 是线程安全的 ArrayList,写操作(add、set、remove 等等)时,把原数组拷贝一份出来,然后在新数组进行写操作,操作完后,再将原数组引用指向到新数组。CopyOnWriteArrayList 可以替代 Collections.synchronizedList(List list)。这个是在JUC包目录下的。内部使用了AQS实现的锁。

java.util.concurrent

数据结构:动态数组

特征:

  1. 线程安全;
  2. 读多写少,比如缓存;
  3. 不能保证实时一致性,只能保证最终一致性。

缺点:

  1. 写操作,需要拷贝数组,比较消耗内存,如果原数组容量大的情况下,可能触发频繁的 Young GC 或者 Full GC;
  2. 不能用于实时读的场景,因为读取到数据可能是旧的,可以保证最终一致性。

实现原理:

CopyOnWriteArrayList 写操作加了锁,不然多线程进行写操作时会复制多个副本;读操作没有加锁,所以可以实现并发读,但是可能读到旧的数据,比如正在执行读操作时,同时有多个写操作在进行,遇到这种场景时,就会都到旧数据。

public class CopyOnWriteArrayList<E> implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable {
    private static final long serialVersionUID = 8673264195747942595L;

    /** The lock protecting all mutators */
    final transient ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    //添加数据
    public boolean add(E e) {
        //使用到了锁机制
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lock();
        try {
            Object[] elements = getArray();
            int len = elements.length;
            Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
            newElements[len] = e;
            setArray(newElements);
            return true;
        } finally {
            //释放锁
            lock.unlock();
        }
    }
    //移除数据
    public E remove(int index) {
        //锁机制
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lock();
        try {
            Object[] elements = getArray();
            int len = elements.length;
            E oldValue = get(elements, index);
            int numMoved = len - index - 1;
            if (numMoved == 0)
                setArray(Arrays.copyOf(elements, len - 1));
            else {
                Object[] newElements = new Object[len - 1];
                System.arraycopy(elements, 0, newElements, 0, index);
                System.arraycopy(elements, index + 1, newElements, index,
                                 numMoved);
                setArray(newElements);
            }
            return oldValue;
        } finally {
            //释放锁
            lock.unlock();
        }
    }

好的,以上便是今天分享的内容。希望你有所收获。

本文分享自微信公众号 - Java后端技术全栈(jjs-2018),作者:田老师

原文出处及转载信息见文内详细说明,如有侵权,请联系 yunjia_community@tencent.com 删除。

原始发表时间:2020-09-20

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