程序猿的日常——Java中的集合列表

列表对于日常开发来说实在是太常见了，以至于很多开发者习惯性的用到数组，就来一个ArrayList，根本不做过多的思考。其实列表里面还是有很多玩法的，有时候玩不好，搞出来bug还得定位半天。所以这里就再啰嗦一下，整理下相关的内容。

基础知识

一般计算机相关的专业都应该学过数据结构，而很多的集合都是应用了经典的数据结构设计的。比如数组、栈、队列、链表、树等等，里面也会用到很多常见的查找或者排序算法，所以就先简单的回顾下。

数组

数组在c语言里面用的很广泛，刚开始学习的时候，整天的空指针和数组越界。后来使用java，开始使用一些集合框架，基本都不用担心这个问题了。

简单的说，数组就是内存中的一段连续的空间，它对于随机访问或者针对某个索引的修改特别快，因为直接可以根据下标索引访问。不过针对于在指定位置插入节点或者删除指定位置的元素，会很慢，因为它会导致后面所有的元素都要移动一次空间。

栈

栈是一种先进后出，或者叫做后进先出的数据结构。比如我们在做数学公式计算的时候，就可以用栈保存，并进行相关的计算。另外，在java中栈的应用也很广，比如程序栈就是通过栈的方式存储的。

public void a(){ b();}
public void b(){ c();}
public void c(){}

那么在代码执行的时候，程序栈里面会记录:

a,b,c

这也是为什么一个方法出错，错误堆栈会打印出一大串的类名和方法名。如果了解这个知识点，对于看懂错误日志就很轻松了。

队列

队列一般都是特定的业务场景才需要使用，比如某个网站的排队功能或者是一些叫号功能，都是队列的机制。

链表

链表有很多种，有单向链表、双向链表、循环链表...每个都有不同的使用场景。在java中有一些复杂的集合类，就用到了链表，比如HashMap、HashTable、LinkedList等等,这个后面慢慢再说。

Java中的列表

ArrayList

这个是日常开发应用最广泛的List集合类了，如果不是有特殊要求，基本上这个类就能满足大部分的需求。不过它还是有很多需要注意的点，比如：

• 非线程安全
• 自动扩容
• 适合场景

非线程安全

这个在javadoc上很明显的强调过，如果想要线程安全，可以使用Collections.synchronizedList进行包装，这个synchronizedList其实就是外面套了一层方法，具体的可以参考下面的简约代码:

static class SynchronizedList<E> ... {
    final Collection<E> c;
    final Object mutex;
    public boolean add(E e) {
        synchronized (mutex) {return c.add(e);}
    }
    ...
}

看到这里应该就了解它的线程安全方法了。

另外也可以使用Vector代替ArrayList，Vector是在方法上做的同步，相对来说要比上面更乐观一点。

最后还有一些高级的集合，比如CopyOnWriteArrayList，这个就更乐观了，之后再详细说。

自动扩容

在添加元素的时候，list会检查当前的容量是否已经满：

public boolean add(E e) {
    ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
    elementData[size++] = e;
    return true;
}
private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
    if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
        minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
    }

    ensureExplicitCapacity(minCapacity);
}
private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
    modCount++;

    // overflow-conscious code
    if (minCapacity - elementData.length > 0)
        grow(minCapacity);
}
private void grow(int minCapacity) {
    // overflow-conscious code
    int oldCapacity = elementData.length;
    int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
    if (newCapacity - minCapacity < 0)
        newCapacity = minCapacity;
    if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
        newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
    // minCapacity is usually close to size, so this is a win:
    elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
}

大致的流程是：

1. 先判断当前容量和插入后的容量大小
2. 如果容量不够，则增加当前容量*50%，即一半的大小
3. 最后把数据增加到末尾

删除的时候，是直接移动删除位置以及后面的元素，然后把最后一个元素赋空:

public E remove(int index) {
    rangeCheck(index);

    modCount++;
    E oldValue = elementData(index);

    int numMoved = size - index - 1;
    if (numMoved > 0)
        System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,numMoved);
    elementData[--size] = null; // clear to let GC do its work

    return oldValue;
}

modCount

很多的集合类都有一个modCount,在很多新增、修改、删除的方法中，都会对这个变量modCount++，他有什么作用？

因为很多集合都可以通过iterable来访问，这时候相当于list的快照，此时是不能修改列表元素的，不然会报错。这个modCount就是用来判断是否有修改的。

大概看下代码:

public Iterator<E> iterator() {
    return new Itr();
}
private class Itr implements Iterator<E> {
    ...
    int expectedModCount = modCount;
    ...
    @SuppressWarnings("unchecked")
    public E next() {
        checkForComodification();
        ...
    }
    final void checkForComodification() {
        if (modCount != expectedModCount)
            throw new ConcurrentModificationException();
    }
}

适用的场景

因此，ArrayList适合大量随机读取和修改的场景，不太适合频繁删除和指定位置插入的场景。

LinkedList

LinkedList是基于链表的列表，因此具有删除节点新增节点很快的特性。可以简单看下它的内部结构：

public class LinkedList<E>
    extends AbstractSequentialList<E>
    implements List<E>, Deque<E>, Cloneable, java.io.Serializable{
    transient int size = 0;
    transient Node<E> first;
    transient Node<E> last;

    ...
    private static class Node<E> {
        E item;
        Node<E> next;
        Node<E> prev;

        Node(Node<E> prev, E element, Node<E> next) {
            this.item = element;
            this.next = next;
            this.prev = prev;
        }
    }
}

通过接口的声明，可以看出它的几个特性：

1. 可以当作队列使用Deque,提供push,pop,offer,peek,poll等方法
2. 支持序列化，内部使用transient修饰，自定义了序列化和反序列化的方法，节省空间
3. 内部是一个静态内部类的Node节点

静态内部类和非静态内部类，有什么不同？1 静态内部类不需要外部的引用；非静态内部类需要。2 静态内部类只能访问外部类的静态成员，非静态内部类则没有限制。3 静态内部类可以独立创建，非静态内部类总不能。

它的新增和删除就是简单的列表操作了，没什么太要强调的：

public boolean add(E e) {
    linkLast(e);
    return true;
}
void linkLast(E e) {
    final Node<E> l = last;
    final Node<E> newNode = new Node<>(l, e, null);
    last = newNode;
    if (l == null)
        first = newNode;
    else
        l.next = newNode;
    size++;
    modCount++;
}

注意双向链表，在更新的时候是要考虑三个节点的关联关系的。

删除的时候比较复杂，如果直接删除某个对象，则是对比数值进行删除:

public boolean remove(Object o) {
    if (o == null) {
        for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
            if (x.item == null) {
                unlink(x);
                return true;
            }
        }
    } else {
        for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
            if (o.equals(x.item)) {
                unlink(x);
                return true;
            }
        }
    }
    return false;
}

如果是删除指定的位置，则需要判断改位置是离first最近，还是last最近，然后分别进行扫描:

public E remove(int index) {
    checkElementIndex(index);
    return unlink(node(index));
}

查询指定位置的元素:

Node<E> node(int index) {
    // assert isElementIndex(index);

    if (index < (size >> 1)) {
        Node<E> x = first;
        for (int i = 0; i < index; i++)
            x = x.next;
        return x;
    } else {
        Node<E> x = last;
        for (int i = size - 1; i > index; i--)
            x = x.prev;
        return x;
    }
}

移除对应的元素:

E unlink(Node<E> x) {
    // assert x != null;
    final E element = x.item;
    final Node<E> next = x.next;
    final Node<E> prev = x.prev;

    if (prev == null) {
        first = next;
    } else {
        prev.next = next;
        x.prev = null;
    }

    if (next == null) {
        last = prev;
    } else {
        next.prev = prev;
        x.next = null;
    }

    x.item = null;
    size--;
    modCount++;
    return element;
}

Vector

Vector根ArrayList很像，只不过他是线程安全的

public synchronized boolean add(E e) {}
public synchronized boolean removeElement(Object obj) {}
...

并且扩容的时候，如果没有自己设置扩容的步长，就会扩大一倍

private void grow(int minCapacity) {
    // overflow-conscious code
    int oldCapacity = elementData.length;
    int newCapacity = oldCapacity + ((capacityIncrement > 0) ?
                                     capacityIncrement : oldCapacity);
    if (newCapacity - minCapacity < 0)
        newCapacity = minCapacity;
    if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
        newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
    elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
}

Stack

这个是继承于Vector的方法，提供了基本的堆栈功能。同时他也是线程安全的。