Java集合总结：列表和队列

Posted 2020-12-27 jackpn

java中的具体容器类都不是从头构建的，他们都继承了一些抽象容器类。这些抽象容器类，提供了容器接口的部分实现，方便具体容器类在抽象类的基础上做具体实现。容器类和接口的关系架构图如下：

虚线框表示接口，有Collection, List, Set, Queue, Deque和Map。

有六个抽象容器类：

• AbstractCollection: 实现了Collection接口，被抽象类AbstractList, AbstractSet, AbstractQueue继承，ArrayDeque也继承自AbstractCollection (图中未画出)。
• AbstractList：父类是AbstractCollection，实现了List接口，被ArrayList, AbstractSequentialList继承。
• AbstractSequentialList：父类是AbstractList，被LinkedList继承。
• AbstractMap：实现了Map接口，被TreeMap, HashMap, EnumMap继承。
• AbstractSet：父类是AbstractCollection，实现了Set接口，被HashSet, TreeSet和EnumSet继承。
• AbstractQueue：父类是AbstractCollection，实现了Queue接口，被PriorityQueue继承。

这些抽象类都提供了相应接口的基础实现，同时定义了一些子类必须重写的抽象方法 ，相当于定义了一个模板，这有点类似于一个设计模式——模板方法模式。

 

下面主要总结一下上图中具体实现类的一些细节和特性：

ArrayList

内部使用Object数组实现、默认初始大小是10，可手动指定，扩容策略是 newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1)，
即每次增大到原来的1.5倍，但不会小于最小值，最大容量是Integer.MAX_VALUE，即0x7fffffff。扩容时将一个新建一个数组将原来数组的内容复制过去。

没用泛型数组E[]原因个人猜测是因为java中的泛型是在jdk1.5才开始支持的，在这之前都用的Object，为了保持向前的兼容性不得不这么做，jdk1.6中新增的ArrayDeque内部就是泛型数组E[]。

 

LinkedList
内部使用链表实现，可以用作队列（Queue），队列两端都可以操作，尾部添加，头部查看和删除。也可以用作双端队列（Deque）（双向链表）（双向遍历、可以实现栈的功能）。

内部只维护头和尾结点，构造方法不能指定大小，按需分配空间。

性能

• 不可以随机访问，必须从头或尾开始查找，效率为O（N/2)(用了二分法）
• 按照内容查找效率为O（N/2)
• 两端添加删除效率为O（1）
• 中间插入删除先定位 ，效率为O(n),但插入或者删除本身效率很高，为O(1)

 

ArrayDeque
这是jdk1.6新增的一个类。内部维护一个泛型数组E[]，使用head和tail两个int索引表示链表头和尾（其中tail指向下一个空位），使得物理上简单的从头到尾的数组变成了逻辑上循环的数组，可以作为链表使用。默认初始数组大小是16，扩容策略是乘以2

• 如果head和tail相同，则数组为空，长度为0。
• 如果tail大于head，则第一个元素为elements[head]，最后一个为elements[tail-1]，长度为tail-head，元素索引从head到tail-1。
• 如果tail小于head，且为0，则第一个元素为elements[head]，最后一个为elements[elements.length-1]，元素索引从head到elements.length-1。
• 如果tail小于head，且大于0，则会形成循环，第一个元素为elements[head]，最后一个是elements[tail-1]，元素索引从head到elements.length-1，然后再从0到tail-1。

可以通过构造方法指定初始数组大小numElements，但是实际的大小是：

• 如果numElements小于MIN_INITIAL_CAPACITY，则分配的数组长度就是MIN_INITIAL_CAPACITY，它是一个静态常量，值为8。
• 在numElements大于等于8的情况下，分配的实际长度是严格大于numElements并且为2的整数次幂的最小数。比如，如果numElements为10，则实际分配16，如果numElements为32，则为64。

使用2的幂次方是为了保证

public void addLast(E e) {
        if (e == null)
            throw new NullPointerException();
        elements[tail] = e;
        if ( (tail = (tail + 1) & (elements.length - 1)) == head)
            doubleCapacity();
    }

中(tail + 1) & (elements.length - 1)能定位到正确下一个位置tail，比如说，如果elements.length为8，则(elements.length - 1)为7，二进制为0111，对于负数-1，与7相与，结果为7，对于正数8，与7相与，结果为0，都能达到循环数组中找下一个正确位置的目的。

扩容之后会重新排列数组，head是0，tail是当前元素数。

性能

• 在两端添加、删除元素的效率很高，动态扩展需要的内存分配以及数组拷贝开销可以被平摊，具体来说，添加N个元素的效率为O(N)。
• 根据元素内容查找和删除的效率比较低，为O(N)。

 

简单总结：

与ArrayList和LinkedList不同，ArrayDeque没有索引位置的概念，不能根据索引位置进行操作。
ArrayDeque和LinkedList都实现了Deque接口，应该用哪一个呢？如果只需要Deque接口，从两端进行操作，一般而言，ArrayDeque效率更高一些，应该被优先使用，不过，如果同时需要根据索引位置进行操作，或者经常需要在中间进行插入和删除，则应该选LinkedList。