java_集合体系之List体系总结、应用场景——07

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java_集合体系之List体系总结、应用场景——07

摘要：

            总结很重要、他能客观的体现出你对这个体系的理解程度、首先要对整体的结构框架要掌握、再细化到每个分支的特点、再比较不同分支之间的相同点、不同点、再根据他们不同的特性分析他们的应用场景。

 

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        

 

        2、示例：

 

package com.chy.collection.example;import java.util.ArrayList;import java.util.Iterator;import java.util.LinkedList;import java.util.List;import java.util.Stack;import java.util.Vector;public class EfficiencyTest {private static ArrayList<String> arrayList = new ArrayList<String>();private static Vector<String> vector = new Vector<String>();private static Stack<String> stack = new Stack<String>();private static LinkedList<String> linkedList = new LinkedList<String>();/** * 测试插入方法（每次都将新增加的元素插入到集合开始处）、注意不要写成 add(Object o)方法、具体原因自己分析 */private static void testInsert(){testInsert(arrayList);testInsert(vector);testInsert(stack);testInsert(linkedList);}/** * 测试随机访问效率 */private static void testRandomAccess(){testRandomAccess(arrayList);testRandomAccess(vector);testRandomAccess(stack);testRandomAccess(linkedList);}/** * 测试Iterator迭代效率  */private static void testIterator(){testIterator(arrayList);testIterator(vector);testIterator(stack);testIterator(linkedList);}/** * 测试删除效率 */private static void testDelete(){testDelete(arrayList);testDelete(vector);testDelete(stack);testDelete(linkedList);}private static void testInsert(List<String> list){long start = currentTime();for (int i = 0; i < 10000; i++) {list.add(0,"a");}long end = currentTime();System.out.println("the add method of " + list.getClass().getName() + " use time : " + (end - start) + "ms");}private static void testRandomAccess(List<String> list){long start = currentTime();for (int i = 0; i < list.size(); i++) {list.get(i);}long end = currentTime();System.out.println("the random access method of " + list.getClass().getName() + " use time : " + (end - start) + "ms");}private static void testIterator(List<String> list){long start = currentTime();Iterator<String> it = list.iterator();while(it.hasNext()){it.next();}long end = currentTime();System.out.println("the iterator method of " + list.getClass().getName() + " use time : " + (end - start) + "ms");}private static void testDelete(List<String> list){long start = currentTime();for (int i = 0; i < 10000; i++) {if(!list.isEmpty()){list.remove(0);}}long end = currentTime();System.out.println("the delete method of " + list.getClass().getName() + " use time : " + (end - start) + "ms");}private static long currentTime(){return System.currentTimeMillis();}public static void main(String[] args) {testInsert();System.out.println("==========================================================");testRandomAccess();System.out.println("==========================================================");testIterator();System.out.println("==========================================================");testDelete();}}

        运行结果：

the add method of java.util.ArrayList use time : 32msthe add method of java.util.Vector use time : 47msthe add method of java.util.Stack use time : 31msthe add method of java.util.LinkedList use time : 15ms==========================================================the random access method of java.util.ArrayList use time : 15msthe random access method of java.util.Vector use time : 16msthe random access method of java.util.Stack use time : 17msthe random access method of java.util.LinkedList use time : 47ms==========================================================the iterator method of java.util.ArrayList use time : 16msthe iterator method of java.util.Vector use time : 15msthe iterator method of java.util.Stack use time : 17msthe iterator method of java.util.LinkedList use time : 16ms==========================================================the delete method of java.util.ArrayList use time : 47msthe delete method of java.util.Vector use time : 31msthe delete method of java.util.Stack use time : 32msthe delete method of java.util.LinkedList use time : 15ms

        不同的运行环境、差异可能比较大。

        3、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源码：

/** 获取index处的元素*/    public E get(int index) {        return entry(index).element;    }    /**  获取双向链表LinkedList中指定位置的节点、是LinkedList实现List中通过index操作元素的关键*/    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;    }

关于获取指定索引处的值的源码：

    /** 检测下标是否越界*/    private void RangeCheck(int index) {if (index >= size)    throw new IndexOutOfBoundsException("Index: "+index+", Size: "+size);    }    /** 获取ArrayList中索引为index位置的元素*/    public E get(int index) {    RangeCheck(index);    return (E) elementData[index];    }

                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。

ArrayList关于指定位置的元素的插入：

    /**     * 确保此ArrayList的最小容量能容纳下参数minCapacity指定的容量、     * 1、minCapacity大于原来容量、则将原来的容量增加(oldCapacity * 3)/2 + 1;     * 2、若minCapacity仍然大于增加后的容量、则使用minCapacity作为ArrayList容量     * 3、若minCapacity不大于增加后的容量、则使用增加后的容量。     */    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);}    }    /** 将指定元素添加到指定的索引处 、     *注意：     *1、如果指定的index大于Object[] 的size或者小于0、则抛IndexOutOfBoundException     *2、检测Object[]是否需要扩容     *3、 将从index开始到最后的元素后移一个位置、     *4、将新添加的元素添加到index去。     */    public void add(int index, E element) {if (index > size || index < 0)    throw new IndexOutOfBoundsException("Index: "+index+", Size: "+size);ensureCapacity(size+1);  // Increments modCount!!System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1, size - index);elementData[index] = element;size++;    }

LinkedList关于指定位置的元素的插入：

 

    /** 在index前添加节点，且节点的值为element*/    public void add(int index, E element) {        addBefore(element, (index==size ? header : entry(index)));    }    /**  获取双向链表LinkedList中指定位置的节点、是LinkedList实现List中通过index操作元素的关键*/    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;    }  //新建节点、节点值是e、将新建的节点添加到entry之前    private Entry<E> addBefore(E e, Entry<E> entry) {    //觉得难理解的可以先花个几分钟看一下链式结构资料、最好是图片形式的    //新建节点实体Entry<E> newEntry = new Entry<E>(e, entry, entry.previous);//将参照节点原来的上一个节点（即插在谁前面的）的下一个节点设置成newEntrynewEntry.previous.next = newEntry;//将参照节点（即插在谁前面的）的前一个节点设置成newEntrynewEntry.next.previous = newEntry;size++;modCount++;return newEntry;    }

         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。

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