java集合~List体系总结、ArrayList分析

小光光的梦 2017-09-05 12:27

一：List的整体框架图

线条简单说明：

1、上图中虚线且无依赖字样、说明是直接实现的接口

2、虚线但是有依赖字样、说明此类依赖与接口、但不是直接实现接口

3、实线是继承关系、类继承类、接口继承接口

类或接口说明：

1、Collection：高度抽象出来的集合、定义某一类集合所具有的基本的方法、标准。

2、Iterable：标识性接口、要求子类提供获取Iterator方法、并且要实现Iterator具有的几个方法。

3、Iterator：迭代器、用于迭代Collection中元素、要求子类必须实现获取Iterator的方法、

4、ListIterator：用于迭代List集合的迭代器、要求List子类必须实现获取ListIterator方法、并且实现其必须方法。

5、List：以队列的形式存储、操作元素、定义了这种形式的集合所具有的基本方法、以及方法的定义。要求List实现类集合中每个元素都有索引、索引值从0开始、

6、Queue：以队列的数据结构存储、操作元素、Queue对于插入、提取和检查操作。每个方法都存在两种形式：一种抛出异常（操作失败时），另一种返回一个特殊值（null 或false，具体取决于操作）。

7、Deque：实现Queue、使子类可以以双向链表的数据结构形式存储、操作数据、从这可以看出其子类的灵活性较大。

8、Enumeration：枚举、用于Vector及其子类迭代元素、他避免了fail-fast机制、使得Vector及其子类在迭代元素的时候可以保证线程安全。

9、AbstractCollection：Collection的实现类、要求需要实现Collection接口的类都必须从它继承、目的是用于简化编程。

10、 AbstractList：继承AbstractCollection、实现List接口中定义方法、目的也是简化编程、并且其内部提供了获取Iterator、ListIterator的方法。

11、 AbstractSequencedList：继承AbstractList、使得List支持有序队列、比如链表形式存储操作元素。

12、 ArrayList：继承AbstractList、以动态数组的形式存储、操作元素、

13、 LinkedList：继承AbstractSequencedList、实现Deque、List接口、以双向链表的形式存储、操作元素。

14、 Vector：继承AbstractList、以动态数组的形式存储、操作元素、线程安全

15、 Stack：继承Vector、在Vector的基础上新增以栈的形式存储、操作元素。

二：LinkedList与ArrayList

1、相同之处

a）都直接或者间接继承了AbstractList、都支持以索引的方式操作元素

b）都不必担心容量问题、ArrayList是通过动态数组来保存数据的、当容量不足时、数组会自动扩容、而LinkedList是以双向链表来保存数据的、不存在容量不足的问题

c） 都是线程不安全的、一般用于单线程的环境下、要想在并发的环境下使用可以使用Collections工具类包装。

2、不同之处

a）ArrayList是通过动态数组来保存数据的、而LinkedList是以双向链表来保存数据的

b）相对与ArrayList而言、LinkedList实现了Deque接口、Deque继承了Queue接口、同时LinkedList继承了AbstractSequencedList类、使得LinkedList在保留使用索引操作元素的功能的同时、也实现了双向链表所具有的功能、这就决定了LinkedList的特定

c）对集合中元素进行不同的操作效率不同、LinkedList善于删除、添加元素、ArrayList善于查找元素。本质就是不同数据结构之间差异。

三：ArrayList与Vector

1、相同之处：

a） 都是继承AbstractList、拥有相同的方法的定义、

b）内部都是以动态数组来存储、操作元素的、并且都可以自动扩容。

2、不同之处：

a） 线程安全：ArrayList是线程不安全的、适用于单线程的环境下、Vector是线程安全的、使用与多线程的环境下。

b）构造方法：Vector有四个构造方法、比ArrayList多一个可以指定每次扩容多少的构造方法

c） 扩容问题：每当动态数组元素达到上线时、ArrayList扩容为：“新的容量”=“(原始容量x3)/2 + 1”、 而Vector的容量增长与“增长系数有关”，若指定了“增长系数”，且“增长系数有效(即，大于0)”；那么，每次容量不足时，“新的容量”=“原始容量+增长系数”。若增长系数无效(即，小于/等于0)，则“新的容量”=“原始容量 x 2”。

d） 效率问题：因为Vector要同步方法、这个是要消耗资源的、所以效率会比较低下

e）Vector为摆脱fail-fast机制、自己内部多提供了一种迭代方法Enumeration、

四：LinkedList、ArrayList、Vector、Stack、Array

1、不同操作的效率对比

关于上面四个集合加一个数组、在这里给出一个表格用于表示他们的不同的操作的效率的排名、这样更直观、

 

实现机制

随机访问

迭代操作

插入操作

删除操作

数组

连续内存区保护元素

1

不支持

不支持

不支持

ArrayList

以数组保存元素

2

2

2

2

Vector

以数组保存元素

3

3

3

3

Stack

以数组保存元素

3

3

3

3

LinkedList

以链表保存元素

4

1

1

1

通过实例来验证上面表格的内容、由于数组比较特殊、他是牺牲的长度的变化直接在内存中开辟空间来存储元素、所以查询效率是毋庸置疑的、同时由于size一旦确定就不能改变、所以插入删除不支持。所以下面验证没有关于Array的的验证

不同的运行环境、差异可能比较大。

2、差异原因分析：

在这里不会主要讨论所有的差异、而是通过源码的方式分析LinkedList与Arraylist、ArrayList与Vector在随机访问、插入、删除元素方面的差异原因、至于迭代Iterator、他们都是用从AbstractList继承的获取Iterator方法、差异不大、不再比较。

ArrayList与LinkedList

a）ArrayList的随机访问效率高于LinkedList：

随机访问是通过索引去查找元素的、LinkedList关于获取指定索引处值的

对比两者源码可以看出、LinkedList获取指定索引处的值是通过二分法先确定索引所在范围之后、在逐个查找、直到找到指定索引处、并且对每个索引都是如此、相比于ArrayList直接定位到index处的值来讲、无疑是非常浪费时间、消耗资源的、

b）ArrayList的插入、删除操作效率低于LinkedList的原因：

对于指定index处的插入、删除、ArrayList和LinkedList都是先通过索引查找到指定位置、然后进行下一步的插入删除操作、上面我们知道LinkedList是先通过二分法查找index范围再确定index具体位置、但是ArrayList是直接定位到index处、为什么LinkedList反而快？依然通过源码找原因。

对比上面代码可以看出来ArrayList每当插入一个元素时、都会调用System.arraycopy()将指定位置后面的所有元素后移一位、重新构造一个数组、这是比较消耗资源的、而LinkedList是直接改变index前后元素的上一个节点和下一个节点的引用、而不需要动其他的东西、所以效率很高。

ArrayList与Vector：

ArrayList、Vector都是继承与AbstractList、并且在类结构上没有多少差异、但是因为Vector要同步方法、所以在性能上不如ArrayList、从源码也可以看出Vector许多方法都是使用关键字synchronized修饰的。不再贴源码

总结：

学以致用、最后总结下上述List集合体系的各个类的使用环境：

1、当需要对集合进行大量的查询时、并且是单线程环境下使用ArrayList

2、当需要对集合进行大量添加、删除时、并且是单线程环境下使用LinkedList、

3、当多线程时、需要对集合进行大量的查询时、可以考虑使用Vector或者Stack、但是不建议、我们可以使用多次提到的Collections类包装。

ArrayList简介

ArrayList是基于数组实现的，是一个动态数组，其容量能自动增长，类似于C语言中的动态申请内存，动态增长内存。

ArrayList不是线程安全的，只能用在单线程环境下，多线程环境下可以考虑用Collections.synchronizedList(List l)函数返回一个线程安全的ArrayList类，也可以使用concurrent并发包下的CopyOnWriteArrayList类。

ArrayList实现了Serializable接口，因此它支持序列化，能够通过序列化传输，实现了RandomAccess接口，支持快速随机访问，实际上就是通过下标序号进行快速访问，实现了Cloneable接口，能被克隆

几点总结

关于ArrayList的源码，给出几点比较重要的总结：

1、注意其三个不同的构造方法。无参构造方法构造的ArrayList的容量默认为10，带有Collection参数的构造方法，将Collection转化为数组赋给ArrayList的实现数组elementData。

2、注意扩充容量的方法ensureCapacity。ArrayList在每次增加元素（可能是1个，也可能是一组）时，都要调用该方法来确保足够的容量。当容量不足以容纳当前的元素个数时，就设置新的容量为旧的容量的1.5倍加1，如果设置后的新容量还不够，则直接新容量设置为传入的参数（也就是所需的容量），而后用Arrays.copyof()方法将元素拷贝到新的数组（详见下面的第3点）。从中可以看出，当容量不够时，每次增加元素，都要将原来的元素拷贝到一个新的数组中，非常之耗时，也因此建议在事先能确定元素数量的情况下，才使用ArrayList，否则建议使用LinkedList。

3、ArrayList的实现中大量地调用了Arrays.copyof()和System.arraycopy()方法。我们有必要对这两个方法的实现做下深入的了解。

首先来看Arrays.copyof()方法。它有很多个重载的方法，但实现思路都是一样的，我们来看泛型版本的源码：

1. public static <T> T[] copyOf(T[] original, int newLength) {

2. return (T[]) copyOf(original, newLength, original.getClass());

3. }

很明显调用了另一个copyof方法，该方法有三个参数，最后一个参数指明要转换的数据的类型，其源码如下：

1. public static <T,U> T[] copyOf(U[] original, int newLength, Class<? extends T[]> newType) {

2. T[] copy = ((Object)newType == (Object)Object[].class)

3. ? (T[]) new Object[newLength]

4. : (T[]) Array.newInstance(newType.getComponentType(), newLength);

5. System.arraycopy(original, 0, copy, 0,

6. Math.min(original.length, newLength));

7. return copy;

8. }

这里可以很明显地看出，该方法实际上是在其内部又创建了一个长度为newlength的数组，调用System.arraycopy()方法，将原来数组中的元素复制到了新的数组中。

下面来看System.arraycopy()方法。该方法被标记了native，调用了系统的C/C++代码，在JDK中是看不到的，但在openJDK中可以看到其源码。该函数实际上最终调用了c语言的memmove()函数，因此它可以保证同一个数组内元素的正确复制和移动，比一般的复制方法的实现效率要高很多，很适合用来批量处理数组。Java强烈推荐在复制大量数组元素时用该方法，以取得更高的效率。

4、注意ArrayList的两个转化为静态数组的toArray方法。

第一个，Object[] toArray()方法。该方法有可能会抛出java.lang.ClassCastException异常，如果直接用向下转型的方法，将整个ArrayList集合转变为指定类型的Array数组，便会抛出该异常，而如果转化为Array数组时不向下转型，而是将每个元素向下转型，则不会抛出该异常，显然对数组中的元素一个个进行向下转型，效率不高，且不太方便。

第二个，<T> T[] toArray(T[] a)方法。该方法可以直接将ArrayList转换得到的Array进行整体向下转型（转型其实是在该方法的源码中实现的），且从该方法的源码中可以看出，参数a的大小不足时，内部会调用Arrays.copyOf方法，该方法内部创建一个新的数组返回，因此对该方法的常用形式如下：

1. public static Integer[] vectorToArray2(ArrayList<Integer> v) {

2. Integer[] newText = (Integer[])v.toArray(new Integer[0]);

3. return newText;

4. }

5、ArrayList基于数组实现，可以通过下标索引直接查找到指定位置的元素，因此查找效率高，但每次插入或删除元素，就要大量地移动元素，插入删除元素的效率低。

6、在查找给定元素索引值等的方法中，源码都将该元素的值分为null和不为null两种情况处理，ArrayList中允许元素为null。