解密Java中List接口底层实现原理

原创

bug菌

发布于 2024-01-31 12:46:24

2340

发布于 2024-01-31 12:46:24

文章被收录于专栏：《项目实战教学》《项目实战教学》

咦咦咦，各位小可爱，我是你们的好伙伴——bug菌，今天又来给大家普及Java SE相关知识点了，别躲起来啊，听我讲干货还不快点赞，赞多了我就有动力讲得更嗨啦！所以呀，养成先点赞后阅读的好习惯，别被干货淹没了哦~

环境说明：Windows 10 + IntelliJ IDEA 2021.3.2 + Jdk 1.8

前言

Java是一种广泛应用的编程语言，被广泛应用于各种平台和应用领域。List接口是Java中最重要的数据结构之一，它为我们提供了一种灵活、高效、可扩展的数据结构。

当我们使用List接口时，我们经常需要了解它的底层实现原理，以便对其进行优化和调试。因此，本篇文章将深入研究Java中List接口的底层实现原理，帮助读者更好地理解List接口的使用和优化。

摘要

本篇文章将首先介绍Java中List接口的基本特性和使用方法，然后深入研究List接口的底层实现原理，包括ArrayList和LinkedList两种实现方式。接着，我们将讨论List接口的应用场景和优缺点，并提供一些常用的测试用例和总结。

List

概述

List是Java中最常用的数据结构之一。它提供了一种有序集合，可以按照添加的顺序进行访问，并且允许重复元素。

Java中的List接口是一个标准接口，定义了一系列方法，可以用于访问和操作List中的数据。List接口有多种实现方法，每种实现方法都有不同的优缺点。

在下面的章节中，我们将重点讲解Java中List接口的两种主要实现方式：ArrayList和LinkedList。

源代码解析

ArrayList

ArrayList是Java中常用的数组实现方式。它使用一个数组来保存List中的元素，支持动态扩展。

ArrayList的源代码可以在Java SDK中的java.util包中找到，其主要方法包括：

public boolean add(E e);
public E get(int index);
public int size();
public boolean isEmpty();
public boolean contains(Object o);
public int indexOf(Object o);
public E remove(int index);
public E set(int index, E element);

这些方法可以用于添加、获取、删除和修改List中的元素。

在ArrayList中，数组的默认大小为10，当元素个数超出数组大小时，会自动扩展数组的容量，以便可以继续添加元素。例如：

List<Integer> list = new ArrayList<>();
for (int i = 0; i < 100; i++) {
    list.add(i);
}

在上面的例子中，我们用ArrayList保存了100个整数。由于ArrayList会自动扩展数组的大小，我们可以在不知道元素个数的情况下，随意添加元素。

如下是部分源码截图：

LinkedList

LinkedList是Java中另一种常用的List实现方式。它使用一个双向链表来保存List中的元素。每个元素节点都包含一个指向前一个元素和后一个元素的指针。

LinkedList的源代码可以在Java SDK中的java.util包中找到，其主要方法包括：

public boolean add(E e);
public E get(int index);
public int size();
public boolean isEmpty();
public boolean contains(Object o);
public int indexOf(Object o);
public E remove(int index);
public E set(int index, E element);
public void addFirst(E e);
public void addLast(E e);
public E getFirst();
public E getLast();
public E removeFirst();
public E removeLast();

LinkedList的节点结构如下所示：

   +------+    +------+    +------+  
--->| prev |<---| data |--->| next |---
   +------+    +------+    +------+

在LinkedList中，每个节点包含一个数据项和两个指针，一个指向前一个元素，一个指向后一个元素。这种双向链表的结构，使得LinkedList可以支持快速添加和删除元素。

下面的代码演示了如何使用LinkedList：

List<Integer> list = new LinkedList<>();
for (int i = 0; i < 100; i++) {
    list.add(i);
}

在上面的例子中，我们同样用LinkedList保存了100个整数。由于LinkedList使用链表结构，它可以快速添加和删除元素，因此在某些场景下，它可能比ArrayList更加适用。

如下是部分源码截图：

应用场景案例

List接口的应用场景非常广泛，可以用于各种数据处理和存储场景。

ArrayList

ArrayList适用于需要在List中快速访问元素的场景。由于ArrayList使用数组来存储元素，可以通过下标访问和修改元素，因此在需要频繁读取和修改List中元素的场景中，ArrayList是一种很好的选择。

另外，由于ArrayList支持动态扩展数组大小，因此在不知道元素个数的情况下，也可以用ArrayList来保存元素。

LinkedList

LinkedList适用于需要在List中快速添加和删除元素的场景。由于LinkedList使用链表结构来存储元素，可以快速添加和删除元素，因此在需要频繁添加和删除元素的场景中，LinkedList是一种很好的选择。

另外，由于LinkedList支持在链表头和尾部添加和删除元素的方法，因此在需要快速访问第一个和最后一个元素的场景中，LinkedList也是一种很好的选择。

优缺点分析

ArrayList

优点：

由于ArrayList使用数组来存储元素，可以通过下标访问和修改元素。因此在需要频繁读取和修改List中元素的场景中，ArrayList是一种很好的选择。
ArrayList支持动态扩展数组大小，因此在不知道元素个数的情况下，也可以用ArrayList来保存元素。

缺点：

当元素个数超过数组大小时，ArrayList会自动扩展数组的容量，这会导致一定的性能损失。
由于数组在内存中是连续的，因此在插入和删除元素时，需要移动数组中的其他元素，这会导致一定的时间复杂度。

LinkedList

优点：

由于LinkedList使用链表结构来存储元素，可以快速添加和删除元素。因此在需要频繁添加和删除元素的场景中，LinkedList是一种很好的选择。
LinkedList支持在链表头和尾部添加和删除元素的方法，因此在需要快速访问第一个和最后一个元素的场景中，LinkedList也是一种很好的选择。

缺点：

由于LinkedList使用链表结构来存储元素，无法通过下标访问和修改元素。因此在需要频繁读取和修改元素的场景中，LinkedList可能不是最优选择。
在需要访问中间元素时，LinkedList的访问性能较差，因为需要从链表头或尾遍历到目标元素。

类代码方法介绍

ArrayList

public class ArrayList<E> extends AbstractList<E>
        implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable {
    public ArrayList();
    public ArrayList(int initialCapacity);
    public ArrayList(Collection<? extends E> c);
    public void trimToSize();
    public void ensureCapacity(int minCapacity);
    public int size();
    public boolean isEmpty();
    public boolean contains(Object o);
    public int indexOf(Object o);
    public int lastIndexOf(Object o);
    public Object clone();
    public Object[] toArray();
    public <T> T[] toArray(T[] a);
    public E get(int index);
    public E set(int index, E element);
    public boolean add(E e);
    public void add(int index, E element);
    public E remove(int index);
    public boolean remove(Object o);
    public void clear();
    public boolean addAll(Collection<? extends E> c);
    public boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c);
}

代码分析

该代码展示了 Java 中 ArrayList 类的方法声明。ArrayList 类实现了 List 接口，是一个可变大小的数组实现，支持随机访问和快速插入和删除元素。其中，包含以下主要方法：

构造方法：默认构造方法、指定初始容量的构造方法、从 Collection 中构造方法。
容量操作方法：trimToSize()，确保该 ArrayList 实例的容量最小。
容量增长方法：ensureCapacity(int minCapacity)，调整该 ArrayList 实例的容量，以确保它最少能容纳指定最小容量的元素。
查询方法：size()，返回列表中元素的数量；isEmpty()，如果列表为空，则返回 true；contains(Object o)，如果此列表中包含指定元素，则返回 true；indexOf(Object o)，返回此列表中指定元素的第一次出现的索引，如果此列表不包含元素，则返回 -1；lastIndexOf(Object o)，返回此列表中指定元素的最后一次出现的索引，如果此列表不包含元素，则返回 -1。
元素操作方法：get(int index)，返回列表中指定位置的元素；set(int index, E element)，用指定元素替换此列表中指定位置上的元素，并返回替换前的元素；add(E e)，将指定元素追加到此列表的末尾；add(int index, E element)，在列表的指定位置插入指定元素；remove(int index)，删除列表中指定位置的元素，并返回被删除的元素；remove(Object o)，从此列表中删除指定元素的第一个出现（如果存在）；clear()，从列表中移除所有元素。
其他方法：clone()，返回此 ArrayList 实例的副本；toArray()，返回一个包含此列表中所有元素的数组；toArray(T[] a)，返回一个包含此列表中所有元素的数组，数组类型为指定数组的运行时类型；addAll(Collection\<? extends E> c)，将指定集合中的所有元素添加到列表的末尾；addAll(int index, Collection\<? extends E> c)，在列表的指定位置插入指定的集合中的所有元素。

这些方法使得 ArrayList 可以高效地进行常见的列表操作，例如添加、删除和搜索元素。

LinkedList

public class LinkedList<E>
        extends AbstractSequentialList<E>
        implements List<E>, Deque<E>, Cloneable, java.io.Serializable {
    public LinkedList();
    public LinkedList(Collection<? extends E> c);
    public int size();
    public boolean isEmpty();
    public boolean contains(Object o);
    public Iterator<E> iterator();
    public Iterator<E> descendingIterator();
    public boolean add(E e);
    public boolean remove(Object o);
    public void clear();
    public E get(int index);
    public E set(int index, E element);
    public void add(int index, E element);
    public E remove(int index);
    public boolean addAll(Collection<? extends E> c);
    public boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c);
    public boolean removeAll(Collection<?> c);
    public boolean retainAll(Collection<?> c);
    public E getFirst();
    public E getLast();
    public E removeFirst();
    public E removeLast();
    public void addFirst(E e);
    public void addLast(E e);
    public boolean offer(E e);
    public boolean offerFirst(E e);
    public boolean offerLast(E e);
    public E peek();
    public E peekFirst();
    public E peekLast();
    public E poll();
    public E pollFirst();
    public E pollLast();
    public E element();
    public void push(E e);
    public E pop();
    public boolean removeFirstOccurrence(Object o);
    public boolean removeLastOccurrence(Object o);
    public Object[] toArray();
    public <T> T[] toArray(T[] a);
    private Entry<E> addBefore(E e, Entry<E> entry);
    private E remove(Entry<E> e);
    private Entry<E> entry(int index);
    private void linkFirst(E e);
    private void linkLast(E e);
    private void linkBefore(E e, Entry<E> succ);
    private E unlinkFirst(Entry<E> f);
    private E unlinkLast(Entry<E> l);
    E unlink(Entry<E> e);
    private static class Entry<E> {
        E element;
        Entry<E> next;
        Entry<E> previous;
        Entry(E element, Entry<E> next, Entry<E> previous) {
            this.element = element;
            this.next = next;
            this.previous = previous;
        }
    }
}

LinkedList实现了List、Deque和Cloneable等接口，提供了一些常用方法，如add、remove、get和set等。同时，LinkedList还提供了一些与双向链表相关的方法，如linkFirst、linkLast、linkBefore、unlinkFirst和unlinkLast等。

代码分析

这是一个泛型的双向链表实现，实现了 List、Deque 接口，并继承了 AbstractSequentialList 抽象类。其中包含了链表的基本操作，如添加、移除、查询元素等等。同时还包含了一些特殊的操作，如获取头尾元素、在头尾添加元素、弹出元素等。内部使用了 Entry 类来表示链表节点，其中包含了元素、前驱节点和后继节点。同时还实现了一些私有方法来辅助链表的操作。

测试用例

测试代码演示

以下是一个简单的测试用例：

package com.demo.javase.day56.collection;

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

/**
 * @Author bug菌
 * @Date 2023-11-05 23:32
 */
public class ListTest {
        public static void main(String[] args) {
            // 创建一个列表
            List<String> list = new ArrayList<>();

            // 添加元素到列表
            list.add("A");
            list.add("B");
            list.add("C");

            // 输出列表长度
            System.out.println("Size of list: " + list.size());

            // 输出列表中的元素
            System.out.println("List contents: ");
            for (String s : list) {
                System.out.println(s);
            }

            // 删除第一个元素
            list.remove(0);

            // 输出修改后的列表中的元素
            System.out.println("List contents after removing first element: ");
            for (String s : list) {
                System.out.println(s);
            }

            // 判断列表中是否包含指定元素
            if (list.contains("A")) {
                System.out.println("List contains A");
            } else {
                System.out.println("List does not contain A");
            }

            // 清空列表
            list.clear();

            // 输出清空后的列表长度
            System.out.println("Size of list after clearing: " + list.size());
        }

}

此测试用例演示了如何创建List对象，添加元素，删除元素，检查列表是否包含特定元素以及清空列表。

测试结果

根据如上测试用例，本地测试结果如下，仅供参考，你们也可以自行修改测试用例或者添加更多的测试数据或测试方法，进行熟练学习以此加深理解。

测试代码分析

根据如上测试用例，在此我给大家进行深入详细的解读一下测试代码，以便于更多的同学能够理解并加深印象。

如上测试用例介绍了Java中List（列表）的基本用法。List可以存储一组有序的元素，在添加、删除、修改和查询元素时非常方便。可以使用ArrayList实现List接口。常用的方法包括add()、remove()、contains()和clear()。在使用List时，可以通过迭代器或者for循环遍历列表中的元素。需要注意的是，在删除元素时可能会导致元素位置变化，因此在迭代器中删除元素时必须使用iterator.remove()方法，否则会抛出ConcurrentModificationException异常。

小结

本篇文章对Java中List接口的底层实现原理进行了探讨，介绍了ArrayList和LinkedList两种主要实现方式的特点和应用场景，并分析了它们的优缺点。

在实际使用中，我们应该根据场景的不同，选择最合适的List实现方式，以达到最佳的性能和应用体验。

总结

本篇文章介绍了Java中List接口的基本特性和使用方法，并深入研究了List接口的底层实现原理，包括ArrayList和LinkedList两种实现方式。在实际应用中，如果需要频繁读取和修改元素，可以使用ArrayList；如果需要频繁添加和删除元素，可以使用LinkedList。此外，本文还分析了它们的优缺点，提供了一些常用的测试用例和总结。

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