Java容器 | 基于源码分析List集合体系
List集合体系应该是日常开发中最常用的API，而且通常是作为面试压轴问题（JVM、集合、并发），集合这块代码的整体设计也是融合很多编程思想，对于程序员来说具有很高的参考和借鉴价值。 一、容器之List集合 List集合体系应该是日常开发中最常用的API，而且通常是作为面试压轴问题（JVM、集合、并发），集合这块代码的整体设计也是融合很多编程思想，对于程序员来说具有很高的参考和借鉴价值。 基本要点 基础：元素增查删、容器信息； 进阶：存储结构、容量管理； API体系 ArrayList：维护数组实现，查询快； Vector：维护数组实现，线程安全； LinkedList：维护链表实现，增删快； 核心特性包括：初始化与加载，元素管理，自动扩容，数组和链表两种数据结构。Vector底层基于ArrayList实现的线程安全操作，而ArrayList与LinkedList属于非线程安全操作，自然效率相比Vector会高，这个是通过源码阅读可以发现的特点。 二、ArrayList详解 1、数组特点 ArrayList就是集合体系中List接口的具体实现类，底层维护Object数组来进行装载和管理数据： privatestaticfinalObject[]EMPTY_ELEMENTDATA={}; 提到数组结构，潜意识的就是基于元素对应的索引查询，所以速度快，如果删除元素，可能会导致大量元素移动，所以相对于LinkedList效率较低。 数组存储的机制： 数组属于是紧凑连续型存储，通过下标索引可以随机访问并快速找到对应元素，因为有预先开辟内存空间的机制，所以相对节约存储空间，如果数组一旦需要扩容，则重新开辟一块更大的内存空间，再把数据全部复制过去，效率会非常的低下。 2、构造方法 这里主要看两个构造方法： 无参构造器：初始化ArrayList，声明一个空数组。 publicArrayList(){ this.elementData=DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA; } 有参构造器：传入容量参数大于0，则设置数组的长度。 publicArrayList(intinitialCapacity){ if(initialCapacity>0){ this.elementData=newObject[initialCapacity]; }elseif(initialCapacity==0){ this.elementData=EMPTY_ELEMENTDATA; }else{ thrownewIllegalArgumentException("IllegalCapacity:"+initialCapacity); } } 如果没通过构造方法指定数组长度，则采用默认数组长度，在添加元素的操作中会设置数组容量。 privatestaticfinalintDEFAULT_CAPACITY=10; 3、装载数据 通过上面的分析，可以知道数组是有容量限制的，但是ArrayList却可以一直装载元素，当然也是有边界值的，只是通常不会装载那么多元素： privatestaticfinalintMAX_ARRAY_SIZE=Integer.MAX_VALUE-8; 超过这个限制会抛出内存溢出的错误。 装载元素：会判断容量是否足够； publicbooleanadd(Ee){ ensureCapacityInternal(size+1); elementData[size++]=e; returntrue; } 当容量不够时，会进行扩容操作，这里贴量化关键源码： privatevoidgrow(intminCapacity){ intoldCapacity=elementData.length; intnewCapacity=oldCapacity+(oldCapacity>>1); elementData=Arrays.copyOf(elementData,newCapacity); } 机制：计算新容量(newCapacity=15)，拷贝一个新数组，设置容量为newCapacity。 指定位置添加：这个方法很少使用到，同样看两行关键代码； publicvoidadd(intindex,Eelement){ ensureCapacityInternal(size+1); System.arraycopy(elementData,index,elementData,index+1,size-index); elementData[index]=element; size++; } 机制：判断数组容量，然后就是很直接的一个数组拷贝操作，简单来个图解： 如上图，假设在index=1位置放入元素E，按照如下过程运行： 获取数组index到结束位置的长度； 拷贝到index+1的位置； 原来index位置，放入element元素； 这个过程就好比排队，如果在首位插入一位，即后面的全部后退一位，效率自然低下，当然这里也并不是绝对的，如果移动的数组长度够小，或者一直在末尾添加，效率的影响自然就降低很多。 4、移除数据 上面看的数据装载，那与之相反的逻辑再看一下，依旧看几行关键源码： publicEremove(intindex){ EoldValue=elementData(index); intnumMoved=size-index-1; if(numMoved>0){ System.arraycopy(elementData,index+1,elementData,index,numMoved); } elementData[--size]=null; returnoldValue; } 机制：从逻辑上看，与添加元素的机制差不多，即把添加位置之后的元素拷贝到index开始的位置，这个逻辑在排队中好比前面离开一位，后面的队列整体都前进一位。 其效率问题也是一样，如果移除集合的首位元素，后面所有元素都要移动，移除元素的位置越靠后，效率影响就相对降低。 5、容量与数量 在集合的源码中，有两个关键字段需要明确一下： capacity：集合的容量，装载能力； size：容器中装载元素的个数； 通常容器大小获取的是size，即装载元素个数，不断装载元素触发扩容机制，capacity容量才会改变。 三、LinkedList详解 1、链表结构特点 链表结构存储在物理单元上非连续、非顺序，节点元素间的逻辑顺序是通过链表中的指针链接次序实现的。链表由一系列节点组成，节点可以在运行时动态生成，节点包括两个部分：一个是存储数据元素的数据域，另一个是存储下一个结点地址的指针域。 特点描述 物理存储上是无序且不连续的； 链表是由多个节点以链式结构组成； 逻辑层面上看形成一个有序的链路结构； 首节点没有指向上个节点的地址； 尾节点没有指向下个节点的地址； 链表结构解决数组存储需要预先知道元素个数的缺陷，可以充分利用内存空间，实现灵活的内存动态管理。 2、LinkedList结构 LinkedList底层数据存储结构正是基于链表实现，首先看下节点的描述： privatestaticclassNode{ Eitem; Nodenext; Nodeprev; Node(Nodeprev,Eelement,Nodenext){ this.item=element; this.next=next; this.prev=prev; } } 在LinkedList中定义静态类Node描述节点的结构：元素、前后指针。在LinkedList类中定义三个核心变量： transientintsize=0; transientNodefirst; transientNodelast; 即大小，首位节点，关于这个三个变量的描述在源码的注释上已经写的非常清楚了： 首节点上个节点为null，尾节点下个节点为null，并且item不为null。 3、元素管理 LinkedList一大特点即元素增加和删除的效率高，根据链表的结构特点来看源码。 添加元素 通过源码可以看到，添加元素时实际调用的是该方法，把新添加的元素放在原链表最后一位： voidlinkLast(Ee){ finalNodel=last; finalNodenewNode=newNode<>(l,e,null); last=newNode; if(l==null) first=newNode; else l.next=newNode; size++; modCount++; } 结合Node类的构造方法，实际的操作如下图： 核心的逻辑即：新的尾节点和旧的尾节点构建指针关系，并处理首位节点变量。 删除元素 删除元素可以根据元素对象或者元素index删除，最后核心都是执行unlink方法： Eunlink(Nodex){ finalEelement=x.item; finalNodenext=x.next; finalNodeprev=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++; returnelement; } 与添加元素核心逻辑相似，也是一个重新构建节点指针的过程： 两个if判断是否删除的是首位节点； 删除节点的上个节点的next指向删除节点的next节点； 删除节点的下个节点的prev指向删除节点的prev节点； 通过增删方法的源码分析，可以看到LinkedList对元素的增删并不会涉及大规模的元素移动，影响的节点非常少，效率自然相对ArrayList高很多。 4、查询方法 基于链表结构存储而非数组，对元素查询的效率会有很大影响，先看源码： publicEget(intindex){ checkElementIndex(index); returnnode(index).item; } Nodenode(intindex){ if(index<(size>>1)){ Nodex=first; for(inti=0;i<index;i++) x=x.next; returnx; }else{ Nodex=last; for(inti=size-1;i>index;i--) x=x.prev; returnx; } } 这段源码结合LinkedList结构看，真的是极具策略性： 首先是对index的合法性校验； 然后判断index在链表的上半段还是下半段； 如果在链表上半段：从first节点顺序遍历； 如果在链表下半段：从last节点倒序遍历； 通过上面的源码可以看到，查询LinkedList中靠中间位置的元素，需要执行的遍历的次数越多，效率也就越低，所以LinkedList相对更适合查询首位元素。
