Array List和Linked List實現分析

• 2019 年 10 月 3 日
• 筆記

一，前言

​ 先來一張Collection集合圖。

​ 今天分享一些關於Collection集合中的List，講真的集合這東西在網上真是老生常談了。說實話連本人都覺得膩了(哈哈)，但是話又說回來，整個集合體系對於我們實際開發來說是非常重要的，所以還是有必要系統總結下。

​ 不過在此之前先說說兩種數據結構，鏈表和紅黑樹。

1.1，鏈表

​

• 鏈表:linked list,由一系列結點node（鏈表中每一個元素稱為結點）組成，結點可以在運行時動態生成。每個結點包括兩個部分：一個是存儲數據元素的數據域，另一個是存儲下一個結點地址的指針域。我們常說的鏈表結構有單向鏈表與雙向鏈表，那麼這裡給大家介紹的是單向鏈表。

  

簡單的說，採用該結構的集合，對元素的存取有如下的特點：

• 多個結點之間，通過地址進行連接。例如，多個人手拉手，每個人使用自己的右手拉住下個人的左手，依次類推，這樣多個人就連在一起了。

• 查找元素慢：想查找某個元素，需要通過連接的節點，依次向後查找指定元素。

• 增刪元素快：

  • 增加元素：只需要修改連接下個元素的地址即可。

    

  • 刪除元素：只需要修改連接下個元素的地址即可。

    

1.2，紅黑樹

​ 紅黑樹是一種自平衡二叉查找樹，是電腦科學領域中的一種數據結構，典型的用途是實現關聯數組，存儲有序的數據。

​ 紅黑樹本身就是一顆二叉查找樹，將節點插入後，該樹仍然是一顆二叉查找樹。也就意味著，樹的鍵值仍然是有序的。

紅黑樹的約束:

• 節點可以是紅色的或者黑色的。
• 根節點是黑色的。
• 葉子節點(特指空節點)是黑色的。
• 每個紅色節點的子節點都是黑色的。
• 任何一個節點到其每一個葉子節點的所有路徑上黑色節點數相同。

紅黑樹的特點:

​ 速度特別快,趨近平衡樹,查找葉子元素最少和最多次數不多於二倍。

二，List介面

2.1，簡介

​ java.util.List介面繼承自Collection介面，是單列集合的一個重要分支，習慣性地會將實現了List介面的對象稱為List集合。在List集合中允許出現重複的元素，所有的元素是以一種線性方式進行存儲的，在程式中可以通過索引來訪問集合中的指定元素。另外，List集合還有一個特點就是元素有序，即元素的存入順序和取出順序一致。

​ 那麼List介面有什麼特點。

• 它是一個元素存取有序的集合。例如，存元素的順序是1、2、3。那麼集合中，元素的存儲就是按照1、2、3的順序完成的）。
• 它是一個帶有索引的集合，通過索引就可以精確的操作集合中的元素（與數組的索引是一個道理）。
• 集合中可以有重複的元素，通過元素的equals方法，來比較是否為重複的元素。

2.2，常用方法

​ List介面繼承Collection介面，因此在父類介面中的方法，List子介面全部都有，並且還增加通過索引的方式操作數據。

• public void add(int index, E element): 將指定的元素，添加到該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):用指定元素替換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) {          // 創建List集合對象          List<String> list = new ArrayList<>();            // 往尾部添加 指定元素          list.add("ABC");          list.add("張三");          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) 刪除指定位置元素  返回被刪除元素          // 刪除索引位置為2的元素          System.out.println("刪除索引位置為2的元素");          System.out.println(list.remove(2));          System.out.println(list);            // String set(int index,String s)          // 在指定位置進行元素替代（改）          // 修改指定位置元素          list.set(0, "三毛");          System.out.println(list);            // String get(int index)  獲取指定位置元素          // 跟size() 方法一起用來遍歷的          for(int i = 0;i<list.size();i++){              System.out.println(list.get(i));          }          //還可以使用增強for          for (String string : list) {              System.out.println(string);          }      }  }

三，Array List（JDK8）

​ Array List底層是基於動態數組實現的，何以動態。在於它是一個可變的數組，根據實際情況它的容量可自動擴充，類似於在C語言中動態申請記憶體的原理。（題外話：記得有一次面試，面試官問我arraylist是怎麼實現的，我說是一個動態數組。然後把他嚇一跳，說一句讓我想清楚再說。我還以為說錯了，接著沉澱5秒鐘，就是一個可自動擴容的動態數組）。

​ 其特點是增刪慢，查詢快。因為是基於數組實現那麼就會存在索引，增刪就是對數據的更新，導致索引也會發生相應變化。但是存在索引值，所以對於查詢數據來說就很快了。如圖：

​

3.1，數組實現

​ 為什麼說底層是一個數組，請看源碼：

​ ArrayList在初始化時默認的數組容量為10，源碼如下：

3.2，構造方法

​ 1，定義無參構造方法，初始化默認為10的空列表。

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​ 2，有參構造，並且自定義初始化容量的大小。

​

3，將數據類型轉換為數組類型。

​

​ 分析：

​ 1，elementData = c.toArray();將元素轉化成數組。

​ 2，判斷數組大小是否為0，否則將默認EMPTY_ELEMENTDATA賦值給數組。

​ 3，接著裡面的if判斷，判斷elementData是否成功轉換為數組，如果成功則調用Arrays.copyOf方法將元素值，數組大小，及數組類複製值到elementData數組中。

​ 完成以上初始化步驟之後，接著我們可以調用add方法完成數據添加。

3.3，add方法

​ 先介紹沒有指定索引的數據添加，請看add源碼：

​ 分析：

​ 1，ensureCapacityInternal(size + 1);這個方法是判斷在添加數據之前，數組的容量是否夠用。這裡就看下源碼的實現吧。

判斷是否要擴容。

​ 說明：

• 首先size默認為0，然後size+1將參數傳過來。
• 判斷if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA)是不是第一次添加元素，如果是，則選取默認的容量大小10，正式將數組容量初始化為10.
• 接著調用ensureExplicitCapacity(minCapacity);這裡是判斷是否需要進行擴容。這裡我們假設不需要擴容，接著說完add方法最後一步。

​ 2，elementData[size++] = e;最後執行這一步，將元素e添加到elementData數組中，並且大小加1，並完成元素添加。

3.4，擴容機制

​ 上面我們說到在數組不擴容情況下元素是如何進行添加的，再來說說如何進行擴容。接著上面ensureExplicitCapacity(int minCapacity)這個方法，判斷如果超出默認容量大小時，便調用grow(minCapacity);方法開始進行擴容。

​ 在這裡先指出擴容的機制其實就是數組的複製，創建一個新的數組，將小容量數組的元素複製到容量較大的數組中，以此完成數組的擴容。

​ 接著我們看源碼的實現：

​

​ 分析：

​ 1，獲取舊數組的大小。

​ 2，將大小擴大1.5倍。

​ 3，新容量小於參數指定容量，修改新容量。

​ 4，新容量大於最大容量，並指定新容量。

​ 5，調用copyOf進行複製。

​

​ 完成擴容。

四，執行緒不安全

​ Array List是執行緒不安全的，這點很重要，也是面試最常問的問題。那為什麼是不安全的呢，下面簡單總結以下。

情況一：

​ 假設現在有A，B兩個執行緒同時執行add方法，而現在size = 9，於是：

​ 1，A經過以上步驟發現初始化容量為10，不需要進行數組擴容。

​ 2，同時B也在執行add方法，它判斷數組初始化容量也是10（size的值還是9），於是不進行數組擴容。接著A便執行add方法，元素添加成功後，size = 10；此時B開始執行add方法，但這個時候數組元素已經添加滿了，B再添加就會造成數組下標越界異常。

情況二：

​ elementData[size++] = e;這一步也有可能出現問題。

​ 列表大小為0，即size=0。
​ 執行緒A開始添加一個元素，值為A。此時它執行第一條操作，將A放在了elementData下標為0的位置上。
​ 接著執行緒B剛好也要開始添加一個值為B的元素，且走到了第一步操作。此時執行緒B獲取到size的值依然為0，於是它將B也放在了elementData下標為0的位置上。
​ 而最終size大小為：

• 執行緒A開始將size的值增加為1
• 執行緒B開始將size的值增加為2

​ 針對這種情況，可以使用以下方式解決：

List<String> list1 = Collections.synchronizedList(new ArrayList<String>());

五，Linked List

​ linked list數據存儲的結構是雙向鏈表結構。方便元素添加、刪除的集合，但是查詢較慢。

​

​ LinkedList中常用方法：

• public void addFirst(E e):將指定元素插入此列表的開頭。
• public void addLast(E e):將指定元素添加到此列表的結尾。
• public E getFirst():返回此列表的第一個元素。
• public E getLast():返回此列表的最後一個元素。
• public E removeFirst():移除並返回此列表的第一個元素。
• public E removeLast():移除並返回此列表的最後一個元素。
• public E pop():從此列表所表示的堆棧處彈出一個元素。
• public void push(E e):將元素推入此列表所表示的堆棧。
• public boolean isEmpty()：如果列表不包含元素，則返回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);          // 獲取元素          System.out.println(link.getFirst());          System.out.println(link.getLast());          // 刪除元素          System.out.println(link.removeFirst());          System.out.println(link.removeLast());            while (!link.isEmpty()) { //判斷集合是否為空              System.out.println(link.pop()); //彈出集合中的棧頂元素          }          System.out.println(link);      }  }

六，總結

​ 1，arraylist增刪慢，查詢快，基於動態數組。

​ 2，linkedlist增刪快，查詢慢，基於雙向鏈表。

​ 3，執行緒都不安全。

​ 關於list介面中常用的兩個集合就分享到此，對於兩個集合要根據實際開發業務進行合理的選擇，並且要注意執行緒安全的問題。本來想把set介面也一起寫上，但是我覺得太長了，所以就留到下一篇部落格。

​ 最後對於以上博文如有不適之處，歡迎留言指正。

感謝閱讀！

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