java数据结构-List



List在数据结构中表现为是线性表的方式，其元素以线性方式存储，集合中允许存放重复的对象，List接口主要的实现类有
ArrayList
ArrayList其实就是一组长度可变的数组，当实例化了一个ArrayList，该数据也被实例化了，当向集合中添加对象时，数组的大小也随着改变，这样它所带来的有优点是快速的随机访问，即使访问每个元素所带来的性能问题也是很小的，但缺点就是想其中添加或删除对象速度慢，当你创建的数组是不确定其容量，所以当我们改变这个数组时就必须在内存中做很多的处理，如你想要数组中任意两个元素中间添加对象，那么在内存中数组要移动所有后面的对象。

LinkedList
LinkedList是通过节点的连接实现链表的数据结构，向linkedList中插入或删除元素的速度是特别快，而随机访问的速度相对较慢，这个是由于链表本身的性质造成的，在链表中，每个节点都包含了前一个节点的引用，后一个节点的引用和节点存储值，当一个新节点插入式，只需要修改其中相关的前后关系节点引用即可，删除节点也是一样。操作对象只需要改变节点的链接，新节点可以存放在内存的任何位置，但也就是因为如此LinkedList虽然存在get()方法，但是这个方法通过遍历节点来定位所以速度很慢。LinkedList还单独具addFrist(),addLast(),getFrist(),getLast(),removeFirst(),removeLast()方法，这些方法使得LinkedList可以作为堆栈，队列，和双队列来使用。

说白了，ArrayList和LinkedList就是数据结构中的顺序存储表和链式存储表。

ArrayList构造原理
上面已经清楚ArrayList和LinkedList就是数据结构的顺序表和链表(不清楚的翻翻数据结构的书)，下面简单分析一下它们的实现方式。
下表是摘自sum提供的ArrayList的api文档

ArrayList()
          构造一个初始容量为 10 的空列表。
ArrayList(Collection<? extends E> c)
          构造一个包含指定 collection 的元素的列表，这些元素是按照该 collection 的迭代器返回它们的顺序排列的。
ArrayList(int initialCapacity)
          构造一个具有指定初始容量的空列表。

第一个构造函数是没有默认构建了一个初始容量10的空列表，第二个构造函数是制定collection元素的列表，第三个构造函数是由用户指定构造的列表初始化容量多少，如果使用第一个构造函数则表示默认调用该参数为initialCapacity=10来构造一个列表对象。

ArrayList源码稍微进行分析

public class ArrayList<E> extends AbstractList<E>         implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable {     private static final long serialVersionUID = 8683452581122892189L;     private transient Object[] elementData;     private int size;     public ArrayList(int initialCapacity) {     super();         if (initialCapacity < 0)             throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+                                                initialCapacity);     this.elementData = new Object[initialCapacity];     }     public ArrayList() {     this(10);     }     public ArrayList(Collection<? extends E> c) {     elementData = c.toArray();     size = elementData.length;     // c.toArray might (incorrectly) not return Object[] (see 6260652)    if (elementData.getClass() != Object[].class)         elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class);     }     public int size() {     return size;     } }

可以发现ArrayList中包含两个主要的属性

    private transient Object[] elementData;

    private int size;

其中elementData[]是列表的实现的核心数组，我们使用该数组来存放集合中的数据，而我们的构造函数所传递的initialCapacity参数是构建该数组的长度。
在看看size的实现形式，它的作用是返回size的属性值的大小，我们再看看另外一个构造函数public ArrayList(Collection<? extends E> c)，该构造函数的作用是把另外一个容器对象中的元素放入当点的List对象中。首先是通过调用另外一个容器对象c的size()来设置当前List对象的size属性的长度大小。接下来就似乎对elementData[]数组进行初始化，最后通过Arrays.copyOf(U[] original, int newLength, Class<? extends T[]> newType)方法把当前容器中的对象都存放进新的数组elementData，主要就完成了一个列表的创建。

ArrayList容量扩充
还有一个问题就是我们所建立的ArrayList是使用数组来实现的，但数组的长度一旦被初始化就不能改变，而我们在给此列表对象添加元素时却没有受到长度的限制，所以，ArrayList的elementData属性一定是存在一个动态扩充容量的机制，下面把相关的部分源码贴出来再做研究

public boolean add(E e) {     ensureCapacity(size + 1);  // Increments modCount!!    elementData[size++] = e;     return true;     }     protected transient int modCount = 0;         /**      * Increases the capacity of this <tt>ArrayList</tt> instance, if      * necessary, to ensure that it can hold at least the number of elements      * specified by the minimum capacity argument.      *      * @param   minCapacity   the desired minimum capacity      */     public void ensureCapacity(int minCapacity) {     modCount++;     int oldCapacity = elementData.length;     if (minCapacity > oldCapacity) {         Object oldData[] = elementData;         int newCapacity = (oldCapacity * 3)/2 + 1;             if (newCapacity < minCapacity)         newCapacity = minCapacity;             // minCapacity is usually close to size, so this is a win:            elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);     }     }

看看public boolean add(E e)方法，可以发现在添加一个元素到容器中的时候，我们会先通过ensureCapacity(size + 1)判断该数组是否需要扩充。
public void ensureCapacity(int minCapacity)这个方法是用来判断当前的数组是否需要扩充，并且该扩充多少。modCount++; 表示当前的对象对elementData数组进行了多少次扩充，清空和移除等操作，相当于是一个对当前List对象的一个操作记录数。
int oldCapacity = elementData.length; 初始化oldCapacity，表示为当前elementData数组的长度。
if (minCapacity > oldCapacity) 判断minCapacity和oldCapacity谁大，来决定是否需要扩充。
int newCapacity = (oldCapacity * 3)/2 + 1; 扩充的策列是判断(oldCapacity * 3)/2 + 1和minCapacity两者之间谁更大，取更大的数作为扩充后数组的initialCapacity值，然后使用数组拷贝的方式，把以前的数据转移到新的数组对象中
如果minCapacity 小于 oldCapacity 就不需要再扩充。

ArrayList删除元素

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; // Let gc do its work     return oldValue;     }     private void RangeCheck(int index) {     if (index >= size)         throw new IndexOutOfBoundsException(         "Index: "+index+", Size: "+size);     }

在看看ArrayList移除元素是怎么实现的，首先判断需要删除的index是否在elementData数组的下标内，如不存在则抛出IndexOutOfBoundsException。
modCount++; 与扩充元素一个，删除元素也记下来操作数。
E oldValue = (E) elementData[index]; 获取需要删除元素的对象。
int numMoved = size - index - 1; 获取需要被删除元素的下标，删除该元素后，数组需要在此元素下标后的所有对象进行内存的移动。
System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,numMoved);对numMoved后面的所有对象通过copy的方式进行内存的移动重新构建数组。

说完ArrayList的实现，再说说linkedList

构建双链表(LinkedList)
LinkedList是类似于C语言的双链表，双链表比单链表多了一个域，这个双链表就有了三个域，一个域来用存储数据元素，一个用来指向后续节点，另一个是指向结点的直接前驱节点。

public class LinkedList<E>     extends AbstractSequentialList<E>     implements List<E>, Deque<E>, Cloneable, java.io.Serializable {     private transient Entry<E> header = new Entry<E>(null, null, null);     private transient int size = 0;     public LinkedList() {         header.next = header.previous = header;     }     private static class Entry<E> {     E element;     Entry<E> next;     Entry<E> previous;     Entry(E element, Entry<E> next, Entry<E> previous) {         this.element = element;         this.next = next;         this.previous = previous;     }     } }

在Entry类中，定义了三个属性，分别为E element 表示数据与，Entry<E> next为后续指针域，Entry<E> previous为前驱指针域。
在LinkedList中定义了一个重要的属性header，头结点，不会纳入链表的总元素,该节点的previous是指向最后节点，next是指向第一节点。
构造函数LinkedList() 构造一个空列表。将header的前驱指针域和后续指针域都指向了自己,看到这里可以发现，next和previous就是一个引用，其实也相等于C里面的指针，不过C不会处理空指针，直接放操作系统处理了，java就直接抛出NullPointerException，根本不让它破坏系统的机会。

LinkedList元素变动
上面说到了LinkedList的新增和删除的效率比ArrayList的高，实际上在 链表操作这些方法时，只需要改变2个节点各自的前驱指针和后续指针域，而ArrayList是需要移动很多的元素。

public boolean add(E e) {     addBefore(e, header);         return true;     }     private Entry<E> addBefore(E e, Entry<E> entry) {     Entry<E> newEntry = new Entry<E>(e, entry, entry.previous);     newEntry.previous.next = newEntry;     newEntry.next.previous = newEntry;     size++;     modCount++;     return newEntry;     }     private E remove(Entry<E> e) {     if (e == header)         throw new NoSuchElementException();         E result = e.element;     e.previous.next = e.next;     e.next.previous = e.previous;         e.next = e.previous = null;         e.element = null;     size--;     modCount++;         return result;     }

相比ArrayList的add()方法，LinkedList实现起来非常简单，主要是两行代码：
newEntry.previous.next = newEntry;将上一节点的后续节点指向新增的节点
newEntry.next.previous = newEntry;头节点的前驱节点指向新增节点，size和modCount自增记录。

同样remove的实现也非常简单
e.previous.next = e.next;该节点的后一节点的后去节点指向该节点的后驱节点，
e.next.previous = e.previous;该节点的后一节点的前驱节点指向该节点的前驱节点。
e.next = e.previous = null;把该节点的前驱节点和后驱节点全部指向null。
e.element = null;把该节点的数据域设置为null。

随机访问
相比顺序表，链表的随机访问效率要低得多(理论说法，不是绝对)，ArrayList可以根据索引号进行随机访问，而LinkedList则不要遍历访问。

public E get(int index) {         return entry(index).element;     }     private Entry<E> entry(int index) {         if (index < 0 || index >= size)             throw new IndexOutOfBoundsException("Index: "+index+                                                 ", Size: "+size);         Entry<E> e = header;         if (index < (size >> 1)) {             for (int i = 0; i <= index; i++)                 e = e.next;         } else {             for (int i = size; i > index; i--)                 e = e.previous;         }         return e;     }

上列的代码是对一个链表的遍历，其中包含了一个算法，如果给的索引号小于总节点数的一半，则在链表的前半部分第一个节点完进行遍历，如果给的索引号大于总节点数的一半，则从最后一个节点往前进行遍历直到索引号。

最后总结一下ArrayList和LinkedList的各自特点
1.ArrayList是基于线性表的顺序存储表，LinkedList是基本线性表的链表存储表。
2.对于新增和删除元素，LinkedList比较占有优势，只需要变前后2个节点，而ArrayList要移动数据。
3.对于随机访问来说，ArrayList比较占有优势，可以根据索引号快速访问，而LinkedList则需要遍历集合的元素来定位。
4.而对于迭代操作(iterate)和查找操作(indexOf)，两者是差不多。
不过上面都是基于理论，具体问题还是要根据事实进行分析，如ArrayList删除的元素刚好是队列的最后一个元素，那么是无需要移动数据的，大体我们可以认为需要随机访问较多的那么比较适合用ArrayList，如果是插入和删除(如消息队列)较多的那么就需要考虑LinkedList。