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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