Java提高篇(三二)-----List总结

2022-09-20 11:36:36

前面LZ已经充分介绍了有关于List接口的大部分知识，如ArrayList、LinkedList、Vector、Stack，通过这几个知识点可以对List接口有了比较深的了解了。只有通过归纳总结的知识才是你的知识。所以下面LZ就List接口做一个总结。推荐阅读：

java提高篇（二一）-----ArrayList

java提高篇（二二）-----LinkedList

java提高篇（二九）-----Vector

Java提高篇（三一）-----Stack

一、List接口概述

List接口，成为有序的Collection也就是序列。该接口可以对列表中的每一个元素的插入位置进行精确的控制，同时用户可以根据元素的整数索引（在列表中的位置）访问元素，并搜索列表中的元素。下图是List接口的框架图：

通过上面的框架图，可以对List的结构了然于心，其各个类、接口如下：

Collection：Collection 层次结构中的根接口。它表示一组对象，这些对象也称为 collection 的元素。对于Collection而言，它不提供任何直接的实现，所有的实现全部由它的子类负责。

AbstractCollection：提供 Collection 接口的骨干实现，以最大限度地减少了实现此接口所需的工作。对于我们而言要实现一个不可修改的 collection，只需扩展此类，并提供 iterator 和 size 方法的实现。但要实现可修改的 collection，就必须另外重写此类的 add 方法（否则，会抛出 UnsupportedOperationException），iterator 方法返回的迭代器还必须另外实现其 remove 方法。

Iterator：迭代器。

ListIterator：系列表迭代器，允许程序员按任一方向遍历列表、迭代期间修改列表，并获得迭代器在列表中的当前位置。

List：继承于Collection的接口。它代表着有序的队列。

AbstractList：List 接口的骨干实现，以最大限度地减少实现“随机访问”数据存储（如数组）支持的该接口所需的工作。

Queue：队列。提供队列基本的插入、获取、检查操作。

Deque：一个线性 collection，支持在两端插入和移除元素。大多数 Deque 实现对于它们能够包含的元素数没有固定限制，但此接口既支持有容量限制的双端队列，也支持没有固定大小限制的双端队列。

AbstractSequentialList：提供了 List 接口的骨干实现，从而最大限度地减少了实现受“连续访问”数据存储（如链接列表）支持的此接口所需的工作。从某种意义上说，此类与在列表的列表迭代器上实现“随机访问”方法。

LinkedList：List 接口的链接列表实现。它实现所有可选的列表操作。

ArrayList：List 接口的大小可变数组的实现。它实现了所有可选列表操作，并允许包括 null 在内的所有元素。除了实现 List 接口外，此类还提供一些方法来操作内部用来存储列表的数组的大小。

Vector：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。

Stack：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。

Enumeration：枚举，实现了该接口的对象，它生成一系列元素，一次生成一个。连续调用 nextElement 方法将返回一系列的连续元素。

二、使用场景

学习知识的根本目的就是使用它。每个知识点都有它的使用范围。集合也是如此，在Java中集合的家族非常庞大，每个成员都有最适合的使用场景。在刚刚接触List时，LZ就说过如果涉及到“栈”、“队列”、“链表”等操作，请优先考虑用List。至于是那个List则分如下：

1、对于需要快速插入、删除元素，则需使用LinkedList。

2、对于需要快速访问元素，则需使用ArrayList。

3、对于“单线程环境”或者“多线程环境，但是List仅被一个线程操作”，需要考虑使用非同步的类，如果是“多线程环境，切List可能同时被多个线程操作”，考虑使用同步的类（如Vector）。

2.1ArrayList、LinkedList性能分析

在List中我们使用最普遍的就是LinkedList和ArrayList，同时我们也了解了他们两者之间的使用场景和区别。

public class ListTest {
    private static final int COUNT = 100000;

    private static ArrayList arrayList = new ArrayList<>();
    private static LinkedList linkedList = new LinkedList<>();
    private static Vector vector = new Vector<>();

    public static void insertToList(List list){
        long startTime = System.currentTimeMillis();

        for(int i = 0 ; i < COUNT ; i++){
            list.add(0,i);
        }

        long endTime = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("插入 " + COUNT + "元素" + getName(list) + "花费 " + (endTime - startTime) + " 毫秒");
    }

    public static void deleteFromList(List list){
        long startTime = System.currentTimeMillis();

        for(int i = 0 ; i < COUNT ; i++){
            list.remove(0);
        }

        long endTime = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("删除" + COUNT + "元素" + getName(list) + "花费 " + (endTime - startTime) + " 毫秒");
    }

    public static void readList(List list){
        long startTime = System.currentTimeMillis();

        for(int i = 0 ; i < COUNT ; i++){
            list.get(i);
        }

        long endTime = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("读取" + COUNT + "元素" + getName(list) + "花费 " + (endTime - startTime) + " 毫秒");
    }

    private static String getName(List list) {
        String name = "";
        if(list instanceof ArrayList){
            name = "ArrayList";
        }
        else if(list instanceof LinkedList){
            name = "LinkedList";
        }
        else if(list instanceof Vector){
            name = "Vector";
        }
        return name;
    }

    public static void main(String[] args) {
        insertToList(arrayList);
        insertToList(linkedList);
        insertToList(vector);

        System.out.println("--------------------------------------");

        readList(arrayList);
        readList(linkedList);
        readList(vector);

        System.out.println("--------------------------------------");

        deleteFromList(arrayList);
        deleteFromList(linkedList);
        deleteFromList(vector);
    }
}

运行结果:

插入 100000元素ArrayList花费 3900 毫秒
插入 100000元素LinkedList花费 15 毫秒
插入 100000元素Vector花费 3933 毫秒
--------------------------------------
读取100000元素ArrayList花费 0 毫秒
读取100000元素LinkedList花费 8877 毫秒
读取100000元素Vector花费 16 毫秒
--------------------------------------
删除100000元素ArrayList花费 4618 毫秒
删除100000元素LinkedList花费 16 毫秒
删除100000元素Vector花费 4759 毫秒

从上面的运行结果我们可以清晰的看出ArrayList、LinkedList、Vector增加、删除、遍历的效率问题。下面我就插入方法add(int index, E element),delete、get方法各位如有兴趣可以研究研究。

首先我们先看三者之间的源码：

ArrayList

public void add(int index, E element) {
        rangeCheckForAdd(index);   //检查是否index是否合法

        ensureCapacityInternal(size + 1);  //扩容操作
        System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1, size - index);    //数组拷贝
        elementData[index] = element;   //插入
        size++;
    }

rangeCheckForAdd、ensureCapacityInternal两个方法没有什么影响，真正产生影响的是System.arraycopy方法，该方法是个JNI函数，是在JVM中实现的。声明如下：

public static native void arraycopy(Object src, int srcPos, Object dest, int destPos, int length);

目前LZ无法看到源码，具体的实现不是很清楚，不过System.arraycopy源码分析对其进行了比较清晰的分析。但事实上我们只需要了解该方法会移动index后面的所有元素即可，这就意味着ArrayList的add(int index, E element)方法会引起index位置之后所有元素的改变，这真是牵一处而动全身。

LinkedList

public void add(int index, E element) {
        checkPositionIndex(index);

        if (index == size)     //插入位置在末尾
            linkLast(element);
        else                   
            linkBefore(element, node(index));
    }

该方法比较简单，插入位置在末尾则调用linkLast方法，否则调用linkBefore方法，其实linkLast、linkBefore都是非常简单的实现，就是在index位置插入元素，至于index具体为知则有node方法来解决，同时node对index位置检索还有一个加速作用，如下：

Node<E> node(int index) {
        if (index < (size >> 1)) {    //如果index 小于 size/2 则从头开始查找
            Node<E> x = first;
            for (int i = 0; i < index; i++)
                x = x.next;
            return x;
        } else {   //如果index 大于 size/2 则从尾部开始查找
            Node<E> x = last;
            for (int i = size - 1; i > index; i--)
                x = x.prev;
            return x;
        }
    }

所以linkedList的插入动作比ArrayList动作快就在于两个方面。1：linkedList不需要执行元素拷贝动作，没有牵一发而动全身的大动作。2:查找插入位置有加速动作即：若index < 双向链表长度的1/2，则从前向后查找; 否则，从后向前查找。

Vector

Vector的实现机制和ArrayList一样，同样是使用动态数组来实现的，所以他们两者之间的效率差不多，add的源码也一样，如下：

public void add(int index, E element) {
        insertElementAt(element, index);
    }

    public synchronized void insertElementAt(E obj, int index) {
        modCount++;
        if (index > elementCount) {
            throw new ArrayIndexOutOfBoundsException(index
                                                     + " > " + elementCount);
        }
        ensureCapacityHelper(elementCount + 1);
        System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1, elementCount - index);
        elementData[index] = obj;
        elementCount++;
    }