Java 集合系列之二：List基本操作

2023-08-17 16:17:34

1. Java List

1. Java List重要观点

Java List接口是Java Collections Framework的成员。
List允许您添加重复元素。
List允许您拥有'null'元素。
List接口在Java 8中有许多默认方法，例如replaceAll，sort和spliterator。
列表索引从0开始，就像数组一样。
List支持泛型（类型的参数化），我们应尽可能使用它。将Generics与List一起使用将在运行时避免ClassCastException。

2. Java列表类图

Java List接口扩展了Collection接口。Collection接口 externs Iterable接口。

一些最常用的List实现类是ArrayList，LinkedList，Vector，Stack，CopyOnWriteArrayList。

AbstractList提供了List接口的骨干实现，以减少实现List的工作量。

3. Java List方法

int size（）：获取列表中元素的数量。
boolean isEmpty（）：检查列表是否为空。
boolean contains（Object o）：如果此列表包含指定的元素，则返回true。
Iterator <E> iterator（）：以适当的顺序返回此列表中元素的迭代器。
Object [] toArray（）：以适当的顺序返回包含此列表中所有元素的数组
boolean add（E e）：将指定的元素追加到此列表的末尾。
boolean remove（Object o）：从此列表中删除指定元素的第一个匹配项。
boolean retainAll（Collection <？> c）：仅保留此列表中包含在指定集合中的元素。
void clear（）：从列表中删除所有元素。
E get（int index）：返回列表中指定位置的元素。
E set（int index，E element）：用指定的元素替换列表中指定位置的元素。
ListIterator <E> listIterator（）：返回列表中元素的列表迭代器。
List <E> subList（int fromIndex，int toIndex）：返回指定fromIndex（包含）和toIndex（不包括）之间的此列表部分的视图。返回的列表由此列表支持，因此返回列表中的非结构更改将反映在此列表中，反之亦然。

在Java 8中添加到List的一些默认方法是;

default void replaceAll（UnaryOperator <E>运算符）：将此列表的每个元素替换为将运算符应用于该元素的结果。
default void sort（Comparator <super E> c）：根据指定的Comparator引发的顺序对此列表进行排序。
default Spliterator <E> spliterator（）：在此列表中的元素上创建Spliterator。

2. ArrayList

1. ArrayList 结构图

ArrayList基于数组实现，是一个动态的数组链表。但是它和Java中的数组又不一样，它的容量可以自动增长，类似于C语言中动态申请内存，动态增长内存！
ArrayList继承了AbstractList，实现了RandomAccess、Cloneable和Serializable接口！

实现了RandomAccess接口，提供了随机访问功能，实际上就是通过下标序号进行快速访问，因此查找效率高。
实现了Cloneable接口，即覆盖了函数clone()，实现浅拷贝。
实现了Serializable接口，支持序列化，也就意味了ArrayList能够通过序列化传输。

2. ArrayList 重要特点

本质实现：Object类型的动态的数组。
线程安全：非同步的。
列表长度：ArrayList中元素个数用size记录。
扩展容量：初始化容量 = 10 ，最大容量不会超过 MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8！【Integer.MAX_VALUE = 0x7fffffff，换算成二进制： 2^31 - 1，十进制就是：2147483647，二十一亿多。一些虚拟器需要在数组前加个头标签，所以减去 8 。当想要分配比 MAX_ARRAY_SIZE 大的个数就会报 OutOfMemoryError。】当ArrayList容量不足以容纳全部元素时，ArrayList会重新设置容量：JDK1.6 int newCapacity = (oldCapacity * 3) /2 + 1; JDK1.8 int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1); 当容量不够时，调用ensureCapacity(int minCapacity)方法调整列表容量，每次增加元素，都要将原来的元素拷贝到一个新的数组中，使用Arrays.copyOf(elementData, newCapacity)拷贝，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。我们可以主动调用 ensureCapcity 来增加 ArrayList 对象的容量，这样就避免添加元素满了时扩容、挨个复制后移等消耗。
3种构造方法：1）构造一个默认初始容量为10的空列表; 2) 构造一个指定初始容量的空列表; 3) 构造一个包含指定collection的元素的列表，内部是Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class);。
5种存储方法：1）set(int index, E element)、2）add(E e)、3）add(int index, E element)、4）addAll(Collection<? extends E> c)、5）addAll(int index, Collection<? extends E> c) 其中3,4,5调用了 System.arraycopy()。
2种删除方法：1） remove(int index) ；2）remove(Object o)
转换成数组：toArray()方法内部调用Arrays.copyOf(），toArray(T[] a)方法内部如果是部分转换用Arrays.copyOf(），全部转换用 System.arraycopy()。
遍历方法：遍历时 get 的效率要 >= 迭代器。
Fail-Fast机制：ArrayList 不是同步的，所以在并发访问时，如果在迭代器迭代的同时有其他线程修改了 ArrayList, fail-fast 的迭代器 Iterator/ListIterator 会报 ConcurrentModificationException 错。因此我们在并发环境下需要外部给 ArrayList 加个同步锁，或者直接在初始化时用 Collections.synchronizedList 方法进行包装。也可以使用concurrent并发包下的CopyOnWriteArrayList类。快速失败机制通过记录modCount参数来实现。迭代器的快速失败行为应该仅用于检测 bug。
序列化：ArrayList实现java.io.Serializable的方式。当写入到输出流时，先写入“容量”，再依次写入“每一个元素”；当读出输入流时，先读取“容量”，再依次读取“每一个元素”。那为什么ArrayList里面的elementData为什么要用transient来修饰？不是因为ArrayList不能序列化和反序列化，是因为elementData里面不是所有的元素都有数据，因为容量的问题，elementData里面有一些元素是空的，这种是没有必要序列化的。ArrayList的序列化和反序列化依赖writeObject和readObject方法来实现。可以避免序列化空的元素。序列化size大小的元素。
克隆: ArrayList的本质是维护了一个Object的数组，所以克隆也是通过数组的复制实现的，属于浅复制，调用的是Arrays.copyOf(）。如果你想要修改克隆后的集合，那么克隆前的也会被修改。那么就需要使用深复制。通过实现对象类的clone方法。
ArrayList的实现中大量地调用了Arrays.copyof()和System.arraycopy()方法。
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。
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。
indexOf和lastIndexOf 查找元素，若元素不存在，则返回-1！
适合读数据多的场合。

2. LinkedList

1. LinkedList 结构图

LinkedList是基于链表实现的，从源码可以看出是一个双向链表。除了当做链表使用外，它也可以被当作堆栈、队列或双端队列进行操作。

LinkedList不是线程安全的，继承AbstractSequentialList实现List、Deque、Cloneable、Serializable。

LinkedList继承AbstractSequentialList，AbstractSequentialList 实现了get(int index)、set(int index, E element)、add(int index, E element) 和 remove(int index)这些函数。这些接口都是随机访问List的。
LinkedList 实现 List 接口，能对它进行队列操作。
LinkedList 实现 Deque 接口，即能将LinkedList当作双端队列使用。
LinkedList 实现了Cloneable接口，即覆盖了函数clone()，能克隆。
LinkedList 实现java.io.Serializable接口，这意味着LinkedList支持序列化，能通过序列化去传输。

2. LinkedList 重要特点

本质实现：底层使用一个Node数据结构，有前后两个指针，双向链表实现。
线程安全：非同步的。
列表长度：LinkedList中元素个数用size记录。
列表容量：LinkedList是基于链表实现的，因此不存在容量不足的问题，所以这里没有扩容的方法。
内存：需要更多的内存，LinkedList 每个节点中需要多存储前后节点的信息，占用空间更多些（previous element next）。
元素允许为null。
Fail-Fast机制:同ArrayList相同。
遍历方法：所有指定位置的操作都是从头开始遍历进行的。LinkedList是基于链表实现的，因此插入删除效率高，查找效率低（虽然有一个加速动作）。源码中先将index与长度size的一半比较，如果index<size/2，就只从位置0往后遍历到位置index处，而如果index>size/2，就只从位置size往前遍历到位置index处。这样可以减少一部分不必要的遍历，从而提高一定的效率（实际上效率还是很低）。Arrays.copyOf() 方法：
它适合删除，插入较多的场景。

3. Vector

1. Vector 结构图

Vector 类可以实现可增长的对象数组。与数组一样，它包含可以使用整数索引进行访问的组件。但是，Vector 的大小可以根据需要增大或缩小，以适应创建 Vector 后进行添加或移除项的操作。Vector 是同步的，可用于多线程。

Vector 继承了AbstractList，实现了List；所以，它是一个队列，支持相关的添加、删除、修改、遍历等功能。
Vector实现了RandmoAccess接口，即提供了随机访问功能。RandmoAccess是java中用来被List实现，为List提供快速访问功能的。在Vector中，我们即可以通过元素的序号快速获取元素对象；这就是快速随机访问。
Vector 实现了Cloneable接口，即实现clone()函数。它能被克隆。
Vector 实现Serializable接口，支持序列化。

2. Vector 重要特点

本质实现：可增长的对象数组。
线程安全：同步的，很多方法都加入了synchronized同步语句，来保证线程安全。
列表长度：elementCount表示实际元素的数量。（Vector 通过 capacity (容量) 和 capacityIncrement (增长数量) 来尽量少的占用空间）
列表容量：Vector初始化容量是10，扩容默认2倍。capacityIncrement 容量增长系数（向量的大小大于其容量时，容量自动增加的量），ensureCapacity(int minCapacity)调用ensureCapacityHelper(int minCapacity)如果此向量的当前容量小于 minCapacity，则通过将其内部数据数组（保存在字段 elementData 中）替换为一个较大的数组来增加其容量。新数据数组的大小将为原来的大小加上 capacityIncrement，如果容量的增量小于等于零，则每次需要增大容量时，向量的容量将增大一倍(编程原来的两倍)，不过，如果此大小仍然小于 minCapacity，则新容量将为 minCapacity。
Fail-Fast机制：Vector 的 iterator 和 listIterator 方法所返回的迭代器是快速失败的：如果在迭代器创建后的任意时间从结构上修改了向量（通过迭代器自身的 remove 或 add 方法之外的任何其他方式），则迭代器将抛出 ConcurrentModificationException。因此，面对并发的修改，迭代器很快就完全失败，而不是冒着在将来不确定的时间任意发生不确定行为的风险。
Vector 的 elements 方法返回的 Enumeration 不是快速失败的。
Vector 主要用在事先不知道数组的大小，或者只是需要一个可以改变大小的数组的情况。
最好在插入大量元素前增加 vector 容量，那样可以减少重新申请内存的次数。

3. Array vs Vector

共同点：

都是基于数组
都支持随机访问
默认容量都是 10
都有扩容机制

区别：

Vector 出生的比较早，JDK 1.0 就出生了，ArrayList JDK 1.2 才出来
Vector 比 ArrayList 多一种迭代器 Enumeration
Vector 是线程安全的，ArrayList 不是
Vector 默认扩容 2 倍，ArrayList 是 1.5

如果没有线程安全的需求，一般推荐使用 ArrayList，而不是 Vector，因为每次都要获取锁，效率太低。

4. Stack

1. Stack 结构图

Stack 类表示后进先出（LIFO）的对象堆栈。它通过五个操作对类 Vector 进行了扩展，允许将向量视为堆栈。它提供了通常的 push 和 pop 操作，以及取堆栈顶点的 peek 方法、测试堆栈是否为空的 empty 方法、在堆栈中查找项并确定到堆栈顶距离的 search 方法。
因为它继承自Vector,那么它的实现原理是以数组实现堆栈的。如果要以链表方式实现堆栈可以使用LinkedList！（因为）

2. Stack 重要特点

Stack是栈。它的特性是：先进后出(FILO, First In Last Out)。
Stack实际上也是通过数组去实现的。实际调用的实现方法都是Vector中的方法！
push时(即，将元素推入栈中)，是通过将元素追加的数组的末尾中。
peek时(即，取出栈顶元素，不执行删除)，是返回数组末尾的元素。
pop时(即，取出栈顶元素，并将该元素从栈中删除)，是取出数组末尾的元素，然后将该元素从数组中删除。
栈最大的长度取决于vector里面数组能有多长。这里vector里面最大能取到Integer.MAX_VALUE。

5.（JUC） CopyOnWriteArrayList

1. CopyOnWriteArrayList 结构图

CopyOnWrite容器即写时复制的容器。通俗的理解是当我们往一个容器添加元素的时候，不直接往当前容器添加，而是先将当前容器进行Copy，复制出一个新的容器，然后新的容器里添加元素，添加完元素之后，再将原容器的引用指向新的容器。这样做的好处是我们可以对CopyOnWrite容器进行并发的读，而不需要加锁，因为当前容器不会添加任何元素。所以CopyOnWrite容器也是一种读写分离的思想，读和写不同的容器。添加的时候是需要加锁的.

2. CopyOnWriteArrayList重要特点

增删改都需要获得锁，并且锁只有一把，而读操作不需要获得锁，支持并发。（而Vector读也需要加锁，性能差）
读的时候不需要加锁，如果读的时候有多个线程正在向CopyOnWriteArrayList添加数据，读还是会读到旧的数据，因为写的时候不会锁住旧的CopyOnWriteArrayList。
应用：CopyOnWrite并发容器用于读多写少的并发场景。比如白名单，黑名单，商品类目的访问和更新场景。
缺点：即内存占用问题（写时复制机制->GC->应用响应时间长）和数据一致性问题（只能保证数据的最终一致性，不能保证数据的实时一致性）。

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