Array List和Linked List实现分析
一,前言
先来一张Collection集合图。
今天分享一些关于Collection集合中的List,讲真的集合这东西在网上真是老生常谈了。说实话连本人都觉得腻了(哈哈),但是话又说回来,整个集合体系对于我们实际开发来说是非常重要的,所以还是有必要系统总结下。
不过在此之前先说说两种数据结构,链表和红黑树。
1.1,链表
链表:linked list,由一系列结点node(链表中每一个元素称为结点)组成,结点可以在运行时动态生成。每个结点包括两个部分:一个是存储数据元素的数据域,另一个是存储下一个结点地址的指针域。我们常说的链表结构有单向链表与双向链表,那么这里给大家介绍的是单向链表。

简单的说,采用该结构的集合,对元素的存取有如下的特点:
多个结点之间,通过地址进行连接。例如,多个人手拉手,每个人使用自己的右手拉住下个人的左手,依次类推,这样多个人就连在一起了。
查找元素慢:想查找某个元素,需要通过连接的节点,依次向后查找指定元素。
增删元素快:
增加元素:只需要修改连接下个元素的地址即可。

删除元素:只需要修改连接下个元素的地址即可。
1.2,红黑树
红黑树是一种自平衡二叉查找树,是计算机科学领域中的一种数据结构,典型的用途是实现关联数组,存储有序的数据。
红黑树本身就是一颗二叉查找树,将节点插入后,该树仍然是一颗二叉查找树。也就意味着,树的键值仍然是有序的。
红黑树的约束:
- 节点可以是红色的或者黑色的。
- 根节点是黑色的。
- 叶子节点(特指空节点)是黑色的。
- 每个红色节点的子节点都是黑色的。
- 任何一个节点到其每一个叶子节点的所有路径上黑色节点数相同。
红黑树的特点:
速度特别快,趋近平衡树,查找叶子元素最少和最多次数不多于二倍。
二,List接口
2.1,简介
java.util.List
接口继承自Collection
接口,是单列集合的一个重要分支,习惯性地会将实现了List
接口的对象称为List集合。在List集合中允许出现重复的元素,所有的元素是以一种线性方式进行存储的,在程序中可以通过索引来访问集合中的指定元素。另外,List集合还有一个特点就是元素有序,即元素的存入顺序和取出顺序一致。
那么List接口有什么特点。
- 它是一个元素存取有序的集合。例如,存元素的顺序是1、2、3。那么集合中,元素的存储就是按照1、2、3的顺序完成的)。
- 它是一个带有索引的集合,通过索引就可以精确的操作集合中的元素(与数组的索引是一个道理)。
- 集合中可以有重复的元素,通过元素的equals方法,来比较是否为重复的元素。
2.2,常用方法
List接口继承Collection接口,因此在父类接口中的方法,List子接口全部都有,并且还增加通过索引的方式操作数据。
public void add(int index, E element)
: 将指定的元素,添加到该集合中的指定位置上。public E get(int index)
:返回集合中指定位置的元素。public E remove(int index)
: 移除列表中指定位置的元素, 返回的是被移除的元素。public E set(int index, E element)
:用指定元素替换集合中指定位置的元素,返回值的更新前的元素。
public class ListDemo {
public static void main(String[] args) {
// 创建List集合对象
List<String> list = new ArrayList<>();
// 往尾部添加 指定元素
list.add("ABC");
list.add("张三");
list.add("李四");
System.out.println(list);
// add(int index,String s) 往指定位置添加
list.add(1,"DEF");
System.out.println(list);
// String remove(int index) 删除指定位置元素 返回被删除元素
// 删除索引位置为2的元素
System.out.println("删除索引位置为2的元素");
System.out.println(list.remove(2));
System.out.println(list);
// String set(int index,String s)
// 在指定位置进行元素替代(改)
// 修改指定位置元素
list.set(0, "三毛");
System.out.println(list);
// String get(int index) 获取指定位置元素
// 跟size() 方法一起用来遍历的
for(int i = 0;i<list.size();i++){
System.out.println(list.get(i));
}
//还可以使用增强for
for (String string : list) {
System.out.println(string);
}
}
}
三,Array List(JDK8)
Array List底层是基于动态数组实现的,何以动态。在于它是一个可变的数组,根据实际情况它的容量可自动扩充,类似于在C语言中动态申请内存的原理。(题外话:记得有一次面试,面试官问我arraylist是怎么实现的,我说是一个动态数组。然后把他吓一跳,说一句让我想清楚再说。我还以为说错了,接着沉淀5秒钟,就是一个可自动扩容的动态数组)。
其特点是增删慢,查询快。因为是基于数组实现那么就会存在索引,增删就是对数据的更新,导致索引也会发生相应变化。但是存在索引值,所以对于查询数据来说就很快了。如图:
3.1,数组实现
为什么说底层是一个数组,请看源码:

ArrayList在初始化时默认的数组容量为10,源码如下:

3.2,构造方法
1,定义无参构造方法,初始化默认为10的空列表。
2,有参构造,并且自定义初始化容量的大小。
3,将数据类型转换为数组类型。
分析:
1,elementData = c.toArray();
将元素转化成数组。
2,判断数组大小是否为0,否则将默认EMPTY_ELEMENTDATA
赋值给数组。
3,接着里面的if判断,判断elementData是否成功转换为数组,如果成功则调用Arrays.copyOf方法将元素值,数组大小,及数组类复制值到elementData数组中。
完成以上初始化步骤之后,接着我们可以调用add方法完成数据添加。
3.3,add方法
先介绍没有指定索引的数据添加,请看add源码:
分析:
1,ensureCapacityInternal(size + 1);
这个方法是判断在添加数据之前,数组的容量是否够用。这里就看下源码的实现吧。

判断是否要扩容。
说明:
- 首先
size
默认为0,然后size+1
将参数传过来。 - 判断
if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA)
是不是第一次添加元素,如果是,则选取默认的容量大小10,正式将数组容量初始化为10. - 接着调用
ensureExplicitCapacity(minCapacity);
这里是判断是否需要进行扩容。这里我们假设不需要扩容,接着说完add方法最后一步。
2,elementData[size++] = e;
最后执行这一步,将元素e添加到elementData
数组中,并且大小加1,并完成元素添加。
3.4,扩容机制
上面我们说到在数组不扩容情况下元素是如何进行添加的,再来说说如何进行扩容。接着上面ensureExplicitCapacity(int minCapacity)
这个方法,判断如果超出默认容量大小时,便调用grow(minCapacity);
方法开始进行扩容。
在这里先指出扩容的机制其实就是数组的复制,创建一个新的数组,将小容量数组的元素复制到容量较大的数组中,以此完成数组的扩容。
接着我们看源码的实现:

分析:
1,获取旧数组的大小。
2,将大小扩大1.5倍。
3,新容量小于参数指定容量,修改新容量。
4,新容量大于最大容量,并指定新容量。
5,调用copyOf进行复制。

完成扩容。
四,线程不安全
Array List是线程不安全的,这点很重要,也是面试最常问的问题。那为什么是不安全的呢,下面简单总结以下。
情况一:
假设现在有A,B两个线程同时执行add方法,而现在size = 9,于是:
1,A经过以上步骤发现初始化容量为10,不需要进行数组扩容。
2,同时B也在执行add方法,它判断数组初始化容量也是10(size的值还是9),于是不进行数组扩容。接着A便执行add方法,元素添加成功后,size = 10;此时B开始执行add方法,但这个时候数组元素已经添加满了,B再添加就会造成数组下标越界异常。
情况二:
elementData[size++] = e;
这一步也有可能出现问题。
列表大小为0,即size=0。
线程A开始添加一个元素,值为A。此时它执行第一条操作,将A放在了elementData下标为0的位置上。
接着线程B刚好也要开始添加一个值为B的元素,且走到了第一步操作。此时线程B获取到size的值依然为0,于是它将B也放在了elementData下标为0的位置上。
而最终size大小为:
- 线程A开始将size的值增加为1
- 线程B开始将size的值增加为2
针对这种情况,可以使用以下方式解决:
List<String> list1 = Collections.synchronizedList(new ArrayList<String>());
五,Linked List
linked list数据存储的结构是双向链表结构。方便元素添加、删除的集合,但是查询较慢。

LinkedList中常用方法:
public void addFirst(E e)
:将指定元素插入此列表的开头。public void addLast(E e)
:将指定元素添加到此列表的结尾。public E getFirst()
:返回此列表的第一个元素。public E getLast()
:返回此列表的最后一个元素。public E removeFirst()
:移除并返回此列表的第一个元素。public E removeLast()
:移除并返回此列表的最后一个元素。public E pop()
:从此列表所表示的堆栈处弹出一个元素。public void push(E e)
:将元素推入此列表所表示的堆栈。public boolean isEmpty()
:如果列表不包含元素,则返回true。
public class LinkedListDemo {
public static void main(String[] args) {
LinkedList<String> link = new LinkedList<String>();
//添加元素
link.addFirst("abc1");
link.addFirst("abc2");
link.addFirst("abc3");
System.out.println(link);
// 获取元素
System.out.println(link.getFirst());
System.out.println(link.getLast());
// 删除元素
System.out.println(link.removeFirst());
System.out.println(link.removeLast());
while (!link.isEmpty()) { //判断集合是否为空
System.out.println(link.pop()); //弹出集合中的栈顶元素
}
System.out.println(link);
}
}
六,总结
1,arraylist增删慢,查询快,基于动态数组。
2,linkedlist增删快,查询慢,基于双向链表。
3,线程都不安全。
关于list接口中常用的两个集合就分享到此,对于两个集合要根据实际开发业务进行合理的选择,并且要注意线程安全的问题。本来想把set接口也一起写上,但是我觉得太长了,所以就留到下一篇博客。
最后对于以上博文如有不适之处,欢迎留言指正。
感谢阅读!
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