Java基础——集合源码解析 List List 接口

Posted 2020-10-08

今天我们来学习集合的第一大体系 List。

List 是一个接口，定义了一组元素是有序的、可重复的集合。

List 继承自 Collection，较之 Collection，List 还添加了以下操作方法

• 位置相关：List 的元素是有序的，因此有get(index)、set(index,object)、add(index,object)、remove(index) 方法。
• 搜索：indexOf()，lastIndexOf();
• 迭代：使用 Iterator 的功能板迭代器
• 范围性操作：使用 subList 方法对 list 进行任意范围操作。

List的抽象实现类 AbstractList

AbstractList 继承自 AbstractCollection 类，实现了 List 接口。整个类的设计类似于AbstractCollection,实现了大多数方法，抽象了对于需要根据数据操作的方法。

List 的实现类

ArrayList

ArrayList 是我们最常用的一个类，它具有如下特点：

• 容量不固定，可以动态扩容
• 有序（基于数组的实现，当然有序~~）
• 元素可以为 null
• 效率高
  • 查找操作的时间复杂度是 O(1)
  • 增删操作的时间复杂度是 O(n)
  • 其他操作基本也都是 O(n)
• 占用空间少，相比 LinkedList，不用占用额外空间维护表结构

从成员变量，我们可以得知

• Object[] elementData：数据结构---数组
• 两个默认空数组，仅在构造方法中使用，不关心
• DEFAULT_CAPACITY： 数组初始容量为10
• size：当前元素个数
• MAX_ARRAY_SIZE：数组最大容量

现在我们知道了 ArrayList 其实就是基于数组的实现。因此，增删改查操作就变得很容易理解了。

• get(index)直接获取数组的底 index 个元素
• set(index,object)直接修改数组的第 index 个元素的引用
• add(index，object)添加一个元素到index，这里会牵涉到数组的扩容，扩容我们后面再单独看

这里的操作很简单，比如说含有8个元素的数组array，要在第五个位置插入一个元素x，则将第[5,8)角标的元素分别往后移动一位变成[6,9)，此时角标为5的位置空出来，使 array[5] = x 即可。

• remove(object)删除一个元素,删除的过程同添加元素。

现在我们来看看扩容机制,假设我们现在有一个集合 list，里面正好含有10个元素，此时，我们调用 add(object)方法添加一个元素，看看是怎样执行扩容操作的。

public boolean add(E var1) {
    //查看是数组长度是否够
    this.ensureCapacityInternal(this.size + 1);
    this.elementData[this.size++] = var1;
    return true;
}

private void ensureCapacityInternal(int var1) {
    //检查是否是默认长度为0的数组，如果是则长度设为10
    if(this.elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
        var1 = Math.max(10, var1);
    }
    this.ensureExplicitCapacity(var1);
}

private void ensureExplicitCapacity(int var1) {
    ++this.modCount;
    //当前需要的长度大于数组长度，执行扩容操作
    if(var1 - this.elementData.length > 0) {
        this.grow(var1);
    }
}

private void grow(int var1) {
    int var2 = this.elementData.length;
    //var3 = var2*1.5;扩容1.5倍
    int var3 = var2 + (var2 >> 1);
    if(var3 - var1 < 0) {
        var3 = var1;
    }
    //新容量超出最大值
    if(var3 - 2147483639 > 0) {
        var3 = hugeCapacity(var1);
    }
    //重新创建了一个1.5倍容量的数组赋值给elementData
    this.elementData = Arrays.copyOf(this.elementData, var3);
}

从上面我们可以看到，修改某个角标的值或者查找某个角标的值时，我们可以直接调用数组的操作，效率很高。但是添加和删除则是要操作整个数组的移动，效率稍低。

这里我们也可以看到，其实 ArrayList 就是一个针对数组操作的封装类。

LinkedList

刚刚我们看了 ArrayList，ArrayList 的增删操作效率相对较低。因此，Java 给我们设计了另外一种增删效率比较高的集合 LinkedList。

LinkedList 继承自 AbstractSequentialList。

AbstractSequentialList 又继承自AbstractList，并且基于 iterator 实现了默认增删改查操作。

再回过头来看 LinkedList，LinkedList 还实现了Deque（双向队列）接口，双向队列后面我们会单独去学习，这里不再做过多的赘述。

再来看看成员变量~~

• size 链表元素个数
• first 第一个元素
• last 最后一个元素

特点？和 ArrayList 的优缺点互补。

链表的实现，链表的实现很简单，就是最基本的链表数据结构。理解链表数据结构可以跳过这里了。

我举个例子吧，现在要让 a、b、c、d 四个同学按顺序投篮。有两种方法，第一种是 abcd 排成一个队伍，依次去投篮；但是体育课上让所有的同学等着投篮很浪费时间，因此有了第二种办法：依次告诉 a‘你投了蓝之后叫 b 来投篮’，告诉 b‘你投了蓝之后叫 c 来投篮’以此类推。
这样，就形成了一个简单的单向列表，abcd 按照顺序依次去投篮。此时，x 同学由于身体不舒服需要提前投篮回教室休息，则老师只需要告诉 a 同学投完篮之后不用叫 b 同学了，改叫 x 同学，x 同学投完篮之后叫 b 同学即可。
不多说了，新手听不懂，老手用不上。不懂链表的同学好好去学学数据结构吧。

后面的增删改查操作就只是基础的遍历链表操作，就不去一一去读源码了，链表操作记不太清楚的同学可以去看一下 LinkedList 的源码。

Vector

在学习了 ArrayList 之后，Vector 这个类我想用”线程安全的 ArrayList“可以一句话概括了。

Vector 和 ArrayList 一样都继承自 AbstractList，为什么说”Vector 是线程安全的 ArrayList“，本来还准备列个表让大家对比一下成员变量以及主要操作方法的实现。but，除了 Vector 的方法上多了个 synchronized 外，代码都是一样的，比较个毛。因此，如果需要考虑线程安全，直接使用 Vector 即可，但是因为所有方法都加了synchronized ，效率相对会比较低，如果没有线程安全的需求，那就使用 ArrayList 呗。

最后，还是说一下Vector 和 ArrayList的区别吧，反正也没什么卵用，大家看看就好

• Vector 出生早，JDK1.0的时候出生的，ArrayList 是1.2才出生
• Vector 是线程安全的，ArrayList 不是。（这是最大的特点了）
• Vector 默认扩容2倍，ArrayList 是1.5倍。这个~~有意义吗？
• Vector 多了一种迭代器 Enumeration。好吧，反正我没用过。

Enumeration

为了找到 Enumeration 这种迭代器有什么特点，我去翻了一下 Vector 的代码，找到了一个这样的方法和这样的接口，你们感受一下。

public Enumeration<E> elements() {
    return new Enumeration() {
        int count = 0;
        public boolean hasMoreElements() {
            return this.count < Vector.this.elementCount;
        }
        public E nextElement() {
            Vector var1 = Vector.this;
            synchronized(Vector.this) {//区别在这里
                if(this.count < Vector.this.elementCount) {
                    return Vector.this.elementData(this.count++);
                }
            }
            throw new NoSuchElementException("Vector Enumeration");
        }
    };
}

public interface Enumeration<E> {
    boolean hasMoreElements();

    E nextElement();
}

mmp，这个 Enumeration 和Iterator 接口除了名字不一样，还有什么区别？然后仔细看了一遍，在elements（）方法里面的匿名内部了里面找到了nextElement（）方法里面有个同步代码块。好吧， Enumeration 大概是线程安全的Iterator？

Stack

Stack 继承自Vector，也是一个线程安全的集合。

Stack 也是基于数组实现的。

Stack 实现的是栈结构集合

什么是栈结构？

数据结构中，栈也是一种线性的数据结构，遵守 LIFO（后进先出）的操作顺序，这里用一张很污的图，保证你们看了之后能熟记栈结构特征。

小时候肯定都玩过羽毛球吧，羽毛球不经打，要经常换球，于是我买了一盒羽毛球，如下图，就是一个羽毛球盒子，最先放进去的羽毛球（栈底的），要最后才能取出来。

Stack 的 代码实现

类结构图如下，代码量也不多，一共才30几行

public class Stack<E> extends Vector<E> {
    private static final long serialVersionUID = 1224463164541339165L;

    public Stack() {
    }

    //入栈，添加一个元素到数组的最后一个
    public E push(E var1) {
        this.addElement(var1);
        return var1;
    }
    //出栈，删除数组最后一个元素并返回
    public synchronized E pop() {
        int var2 = this.size();
        Object var1 = this.peek();
        this.removeElementAt(var2 - 1);
        return var1;
    }
    //获取最后一个元素，不删除
    public synchronized E peek() {
        int var1 = this.size();
        if(var1 == 0) {
            throw new EmptyStackException();
        } else {
            return this.elementAt(var1 - 1);
        }
    }

    public boolean empty() {
        return this.size() == 0;
    }
    获取栈中的 位置。
    public synchronized int search(Object var1) {
        int var2 = this.lastIndexOf(var1);
        return var2 >= 0?this.size() - var2:-1;
    }
}

整个类的实现非常简单，就是继承 Vector，然后添加了 peek、pop、push、search 等方法，然后然添加删除都在最末尾的元素做操作即可。

思考：怎样用链表的结构快速实现 LinkedListStack？

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