List集合的使用

Posted 2021-09-09 上官兰夏

ArrayList和Vector使用了数组的实现，可以认为ArrayList或者Vector封装了对内部数组的操作，比如向数组中添加，删除，插入新的元素或者数据的扩展和重定向。

LinkedList使用了循环双向链表数据结构。与基于数组ArrayList相比，这是两种截然不同的实现技术，这也决定了它们将适用于完全不同的工作场景。

在下图展示了一个包含3个元素的LinkedList的各个表项间的连接关系。

在JDK的实现中，无论LikedList是否为空，链表内部都有一个header表项，它既表示链表的开始，也表示链表的结尾。

表项header的后驱表项便是链表中第一个元素，表项header的前驱表项便是链表中最后一个元素。

下面以增加和删除元素为例比较ArrayList和LinkedList的不同之处：

（1）增加元素到列表尾端：

在ArrayList中增加元素到队列尾端的代码如下：

public boolean add(E e){
   ensureCapacity(size+1);//确保内部数组有足够的空间
   elementData[size++]=e;//将元素加入到数组的末尾，完成添加
   return true;      
} 
ArrayList中add()方法的性能决定于ensureCapacity()方法。ensureCapacity()的实现如下：
public vod ensureCapacity(int minCapacity){
  modCount++;
  int oldCapacity=elementData.length;
  if(minCapacity>oldCapacity){    //如果数组容量不足，进行扩容
      Object[] oldData=elementData;
      int newCapacity=(oldCapacity*3)/2+1;  //扩容到原始容量的1.5倍
      if(newCapacitty<minCapacity)   //如果新容量小于最小需要的容量，则使用最小
                                                    //需要的容量大小
         newCapacity=minCapacity ;  //进行扩容的数组复制
         elementData=Arrays.copyof(elementData,newCapacity);
  }
}

可以看到，只要ArrayList的当前容量足够大，add()操作的效率非常高的。

只有当ArrayList对容量的需求超出当前数组大小时，才需要进行扩容。

扩容的过程中，会进行大量的数组复制操作。而数组复制时，最终将调用System.arraycopy()方法，因此add()操作的效率还是相当高的。

LinkedList 的add()操作实现如下，它也将任意元素增加到队列的尾端：

public boolean add(E e){
   addBefore(e,header);//将元素增加到header的前面
   return true;
}
private Entry<E> addBefore(E e,Entry<E> entry){
     Entry<E> newEntry = new Entry<E>(e,entry,entry.previous);
     newEntry.provious.next=newEntry;
     newEntry.next.previous=newEntry;
     size++;
     modCount++;
     return newEntry;
}

可见，LinkeList由于使用了链表的结构，因此不需要维护容量的大小。

从这点上说，它比ArrayList有一定的性能优势，然而，每次的元素增加都需要新建一个Entry对象，并进行更多的赋值操作。

在频繁的系统调用中，对性能会产生一定的影响。

（2）增加元素到列表任意位置

除了提供元素到List的尾端，List接口还提供了在任意位置插入元素的方法：void add(int index,E element);

由于实现的不同，ArrayList和LinkedList在这个方法上存在一定的性能差异，由于ArrayList是基于数组实现的，而数组是一块连续的内存空间，

如果在数组的任意位置插入元素，必然导致在该位置后的所有元素需要重新排列，因此，其效率相对会比较低。

以下代码是ArrayList中的实现：

public void add(int index,E element){
   if(index>size||index<0)
      throw new IndexOutOfBoundsException(
        "Index:"+index+",size: "+size);
         ensureCapacity(size+1);
         System.arraycopy(elementData,index,elementData,index+1,size-index);
         elementData[index] = element;
         size++;
}

可以看到每次插入操作，都会进行一次数组复制。而这个操作在增加元素到List尾端的时候是不存在的，大量的数组重组操作会导致系统性能低下。

并且插入元素在List中的位置越是靠前，数组重组的开销也越大。

而LinkedList此时显示了优势：

public void add(int index,E element){
   addBefore(element,(index==size?header:entry(index)));
}

可见，对LinkedList来说，在List的尾端插入数据与在任意位置插入数据是一样的，不会因为插入的位置靠前而导致插入的方法性能降低。

（3）删除任意位置元素

对于元素的删除，List接口提供了在任意位置删除元素的方法：

public E remove(int index);

对ArrayList来说，remove()方法和add()方法是雷同的。在任意位置移除元素后，都要进行数组的重组。ArrayList的实现如下：

public E remove(int index){
   RangeCheck(index);
   modCount++;
   E oldValue=(E) elementData[index];
  int numMoved=size-index-1;
  if(numMoved>0)
     System.arraycopy(elementData,index+1,elementData,index,numMoved);
     elementData[--size]=null;
     return oldValue;
}

可以看到，在ArrayList的每一次有效的元素删除操作后，都要进行数组的重组。并且删除的位置越靠前，数组重组时的开销越大。

public E remove(int index){
  return remove(entry(index));         
}
private Entry<E> entry(int index){
  if(index<0 || index>=size)
      throw new IndexOutBoundsException("Index:"+index+",size:"+size);
      Entry<E> e= header;
      if(index<(size>>1)){//要删除的元素位于前半段
         for(int i=0;i<=index;i++)
             e=e.next;
     }else{
         for(int i=size;i>index;i--)
             e=e.previous;
     }
         return e;
}

在LinkedList的实现中，首先要通过循环找到要删除的元素。如果要删除的位置处于List的前半段，则从前往后找；

若其位置处于后半段，则从后往前找。因此无论要删除较为靠前或者靠后的元素都是非常高效的；

但要移除List中间的元素却几乎要遍历完半个List，在List拥有大量元素的情况下，效率很低。

（4）容量参数

容量参数是ArrayList和Vector等基于数组的List的特有性能参数。它表示初始化的数组大小。

当ArrayList所存储的元素数量超过其已有大小时。它便会进行扩容，数组的扩容会导致整个数组进行一次内存复制。因此合理的数组大小有助于减少数组扩容的次数，从而提高系统性能。

public  ArrayList(){
  this(10);  
}
public ArrayList (int initialCapacity){
   super();
   if(initialCapacity<0)
       throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity:"+initialCapacity)
      this.elementData=new Object[initialCapacity];
}

ArrayList提供了一个可以制定初始数组大小的构造函数：

public ArrayList(int initialCapacity) 

现以构造一个拥有100万元素的List为例，当使用默认初始化大小时，其消耗的相对时间为125ms左右，当直接制定数组大小为100万时，构造相同的ArrayList仅相对耗时16ms。

（5）遍历列表

遍历列表操作是最常用的列表操作之一，在JDK1.5之后，至少有3中常用的列表遍历方式：forEach操作，迭代器和for循环。

String tmp;
long start=System.currentTimeMills();    //ForEach 
for(String s:list){
    tmp=s;
}
System.out.println("foreach spend:"+(System.currentTimeMills()-start));
start = System.currentTimeMills();
for(Iterator<String> it=list.iterator();it.hasNext();){    
   tmp=it.next();
}
System.out.println("Iterator spend;"+(System.currentTimeMills()-start));
start=System.currentTimeMills();
int size=;list.size();
for(int i=0;i<size;i++){                     
    tmp=list.get(i);
}
System.out.println("for spend;"+(System.currentTimeMills()-start))

构造一个拥有100万数据的ArrayList和等价的LinkedList，使用以上代码进行测试，测试结果的相对耗时如下表所示：

可以看到，最简便的ForEach循环并没有很好的性能表现，综合性能不如普通的迭代器，

而使用for循环通过随机访问遍历列表时，ArrayList表项很好，但是LinkedList的表现却无法让人接受，甚至没有办法等待程序的结束。

这是因为对LinkedList进行随机访问时，总会进行一次列表的遍历操作。性能非常差，应避免使用。