学习List接口实现类 ArrayList Vector LinkedList
List接口的实现类中最常用最重要的就是这三个:ArrayList、Vector、LinkedList。
JDK中这三个类的定义:
public class ArrayList<E> extends AbstractList<E> implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable {
<span style="font-size:18px;">public class Vector<E> extends AbstractList<E> implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable {</span>
<span style="font-size:18px;">public class LinkedList<E> extends AbstractSequentialList<E> implements List<E>, Deque<E>, Cloneable, java.io.Serializable { transient int size = 0;</span>
从这三个类定义就可以看出一些信息:
- 三个都直接实现了AbstractList这个抽象类
- ArrayList和Vector都实现了RandomAccess接口,而LinkedList没有,这是什么意思呢?在JDK 中,RandomAccess接口是一个空接口,所以它没有实际意义,就是一个标记,标记这个类支持快速随机访问,所以,arrayList和 vector是支持随机访问的,但是LinkedList不支持
- serializbale接口表明他们都支持序列化。
下面详细说说List的这三个实现。
查看实现源码会发现这三个里面,ArrayList和Vector使用了数组的实现,相当于封装了对数组的操作。这也正是他们能够支持快速随机访问的原因,多说一句,JDK中所有基于数组实现的数据结构都能够支持快速随机访问。
ArrayList和Vector的实现上几乎都使用了相同的算法,他们的主要区别就是ArrayList没有对任何一个方法做同步处理,所以不是线程安全的;而Vector中大部分方法都做了线程同步所以是线程安全的。
LinkedList使用的是双向循环链表的数据结构。由于是基于链表的,所以无法法实现随机访问的,只能顺序访问,这也正式它没有实现RandomAccess接口的原因。
正式由于ArrayList、Vector和LinkedList所采用的数据结构不同,注定他们适用的是完全不同的场景。
通过阅读这几个类的源码,我们可以看到他们实现的不同。ArrayList和Vector基本一样,我们就用ArrayList和LinkedList做对比。
在末尾增加一个元素
ArrayList中的add方法实现如下:
<span style="font-size:18px;">/** * Appends the specified element to the end of this list. *将元素添加到数组的最后 * @param e element to be appended to this list * @return <tt>true</tt> (as specified by {@link Collection#add}) */ public boolean add(E e) { ensureCapacityInternal(size + 1); // Increments modCount!! elementData[size++] = e; return true; }</span>
这个方法做两件事情,首先确保数组空间足够大,然后在数组末尾增加元素并且通过后++使得完成size+1
从这个代码可以看出,如果数组空间足够大,那么只是数组的add操作就是O(1)的性能,非常高效。
在看看ensureCapacityInternal这个方法的实现:
private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) { modCount++; // overflow-conscious code if (minCapacity - elementData.length > 0) grow(minCapacity); }
/** * Increases the capacity to ensure that it can hold at least the * number of elements specified by the minimum capacity argument. * * @param minCapacity the desired minimum capacity */ private void grow(int minCapacity) { // overflow-conscious code int oldCapacity = elementData.length; int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1); if (newCapacity - minCapacity < 0) newCapacity = minCapacity; if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0) newCapacity = hugeCapacity(minCapacity); // minCapacity is usually close to size, so this is a win: elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity); }
可以看出,如果数组空间不够,那么这个方法就会做数组扩容和数组复制操作,看第11行,JDK利用移位运算符进行扩容计算,>>1右移一位表示除2,所以newCapacity就是扩容为原来的1.5倍。
PS:这里的代码都是JDK1.7中的实现,JDK1.7对1.6的很多代码做了优化,比如上面这段扩容代码,在JDK1.6中第11行是直接除2,显然,移位运算要更高效。
在看看LinkedList中的add方法:
<span style="font-size:18px;">/** * Appends the specified element to the end of this list. * 将元素添加到最后 * <p>This method is equivalent to {@link #addLast}. * * @param e element to be appended to this list * @return {@code true} (as specified by {@link Collection#add}) */ public boolean add(E e) { linkLast(e); return true; }</span>
/** * Links e as last element. */ void linkLast(E e) { final Node<E> l = last; final Node<E> newNode = new Node<>(l, e, null); last = newNode; if (l == null) first = newNode; else l.next = newNode; size++; modCount++; }
Node(Node<E> prev, E element, Node<E> next) { this.item = element; this.next = next; this.prev = prev; }
从这段add代码可以看出,LinkedList由于使用了链表,所以不需要进行扩容,直接把元素加到链表最后,把新元素的前驱指向之前的last元素,并把last元素指向新元素就可以了。这也是一个O(1)的性能。
在任意位置插入元素
ArrayList中的实现如下:
<span style="font-size:18px;"> /** * Inserts the specified element at the specified position in this * list. Shifts the element currently at that position (if any) and * any subsequent elements to the right (adds one to their indices). * * @param index index at which the specified element is to be inserted * @param element element to be inserted * @throws IndexOutOfBoundsException {@inheritDoc} */ public void add(int index, E element) { rangeCheckForAdd(index); ensureCapacityInternal(size + 1); // Increments modCount!! System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1, size - index); elementData[index] = element; size++; }</span>
这段代码,首先先检查数组容量,容量不够先扩容,然后把index之后的数组往后挪一个,最后在index位置放上新元素。由于数组是一块连续内存空间,所以在任意位置插入,都会导致这个其后数组后挪一位的情况,需要做一次数组复制操作,很明显,如果有大量的随机插入,那么这个数组复制操作开销会很大,而且插入的越靠前,数组复制开销越大。
LinkedList中的实现:
<span style="font-size:18px;"> /** * Inserts the specified element at the specified position in this list. * Shifts the element currently at that position (if any) and any * subsequent elements to the right (adds one to their indices). * * @param index index at which the specified element is to be inserted * @param element element to be inserted * @throws IndexOutOfBoundsException {@inheritDoc} */ public void add(int index, E element) { checkPositionIndex(index); if (index == size) linkLast(element); else linkBefore(element, node(index)); }</span>
/** * Inserts element e before non-null Node succ. */ void linkBefore(E e, Node<E> succ) { // assert succ != null; final Node<E> pred = succ.prev; final Node<E> newNode = new Node<>(pred, e, succ); succ.prev = newNode; if (pred == null) first = newNode; else pred.next = newNode; size++; modCount++; }
这段代码,取到原先index处节点的前驱,变成新节点的前驱,同时把原先index变成新节点的后驱,这样就完成了新节点的插入。这个就是链表的优势,不存在数据复制操作,性能和在最后插入是一样的。
小结:从上面的源码剖析可以看出这三种List实现的一些典型适用场景,如果经常对数组做随机插入操作,特别是插入的比较靠前,那么LinkedList的性能优势就非常明显,而如果都只是末尾插入,则ArrayList更占据优势,如果需要线程安全,则使用Vector或者创建线程安全的ArrayList。
在使用基于数组实现的ArrayList 和Vector 时我们要指定初始容量,因为我们在源码中也看到了,在添加时首先要进行容量的判断,如果容量不够则要创建新数组,还要将原来数组中的数据复制到新数组中,这个过程会减低效率并且会浪费资源。