Java基础集合（二）List详解

本文介绍: Java基础集合（二）List详解：ArrayList、LinkedList、Vector和Stack。

简介

数组与集合的区别如下：

介绍

AbstractList 和 AbstractSequentialList

前言-与正文无关

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简介

集合可以看作是一种容器，用来存储对象信息。所有集合类都位于java.util包下，值得一提的是支持多线程的集合类位于java.util.concurrent包下。

List 接口直接继承 Collection 接口，它定义为可以存储重复元素的集合，并且元素按照插入顺序有序排列，且可以通过索引访问指定位置的元素。常见的实现有：ArrayList、LinkedList、Vector和Stack

数组与集合的区别如下：

　　1）数组长度不可变化而且无法保存具有映射关系的数据；集合类用于保存数量不确定的数据，以及保存具有映射关系的数据。

　　2）数组元素既可以是基本类型的值，也可以是对象；集合只能保存对象。

介绍

AbstractList 和 AbstractSequentialList

AbstractList 抽象类实现了 List 接口，其内部实现了所有的 List 都需具备的功能，子类可以专注于实现自己具体的操作逻辑。

// 查找元素 o 第一次出现的索引位置
public int indexOf(Object o)
// 查找元素 o 最后一次出现的索引位置
public int lastIndexOf(Object o)
//···

AbstractSequentialList 抽象类继承了 AbstractList，在原基础上限制了访问元素的顺序只能够按照顺序访问，而不支持随机访问，如果需要满足随机访问的特性，则继承 AbstractList。子类 LinkedList 使用链表实现，所以仅能支持顺序访问，顾继承了 AbstractSequentialList而不是 AbstractList。

Vector

Vector 在现在已经是一种过时的集合了，包括继承它的 Stack 集合也如此，它们被淘汰的原因都是因为性能低下。

原因是JDK 1.0 时代，ArrayList 还没诞生，大家都是使用 Vector 集合，但由于 Vector 的每个操作都被 synchronized 关键字修饰，即使在线程安全的情况下，仍然进行无意义的加锁与释放锁，造成额外的性能开销，做了无用功。在 JDK 1.2 时，Collection 家族出现了，它提供了大量高性能、适用於不同场合的集合，而 Vector 也是其中一员，但由于 Vector 在每个方法上都加了锁，由于需要兼容许多老的项目，很难在此基础上优化Vector了，所以渐渐地也就被历史淘汰了。

替代方案

现在，在线程安全的情况下，不需要选用 Vector 集合，取而代之的是 ArrayList 集合；在并发环境下，出现了 CopyOnWriteArrayList，Vector 完全被弃用了。

Stack

Stack是一种后入先出（LIFO）型的集合容器，如图中所示，大雄是最后一个进入容器的，top指针指向大雄，那么弹出元素时，大雄也是第一个被弹出去的。

Stack 继承了 Vector 类，提供了栈顶的压入元素操作（push）和弹出元素操作（pop），以及查看栈顶元素的方法（peek）等等，但由于继承了 Vector，正所谓跟错老大没福报，Stack 也渐渐被淘汰了。

取而代之的是后起之秀 Deque接口，其实现有 ArrayDeque，该数据结构更加完善、可靠性更好，依靠队列也可以实现LIFO的栈操作，所以优先选择 ArrayDeque 实现栈。

Deque<Integer> stack = new ArrayDeque<Integer>();

ArrayDeque 的数据结构是：数组，并提供头尾指针下标对数组元素进行操作。

ArrayList

ArrayList 以数组作为存储结构，它是线程不安全的集合；具有查询快、在数组中间或头部增删慢的特点，所以它除了线程不安全这一点，其余可以替代Vector，而且线程安全的 ArrayList 可以使用 CopyOnWriteArrayList代替 Vector。

关于 ArrayList 有几个重要的点需要注意的：

具备随机访问特点，访问元素的效率较高，ArrayList 在频繁插入、删除集合元素的场景下效率较低。
底层数据结构：ArrayList 底层使用数组作为存储结构，具备查找快、增删慢的特点
线程安全性：ArrayList 是线程不安全的集合
ArrayList 首次扩容后的长度为 10，调用 add() 时需要计算容器的最小容量。可以看到如果数组elementData为空数组，会将最小容量设置为10，之后会将数组长度完成首次扩容到 10。

// new ArrayList 时的默认空数组
private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};
// 默认容量
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
// 计算该容器应该满足的最小容量
private static int calculateCapacity(Object[] elementData, int minCapacity) {
    if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
        return Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
    }
    return minCapacity;
}

集合从第二次扩容开始，数组长度将扩容为原来的 1.5 倍，即：newLength = oldLength * 1.5

LinkedList

LinkedList 底层采用双向链表数据结构存储元素，由于链表的内存地址非连续，所以它不具备随机访问的特点，但由于它利用指针连接各个元素，所以插入、删除元素只需要操作指针，不需要移动元素，故具有增删快、查询慢的特点。它也是一个非线程安全的集合。

由于以双向链表作为数据结构，它是线程不安全的集合；存储的每个节点称为一个Node，下图可以看到 Node 中保存了next和prev指针，item是该节点的值。在插入和删除时，时间复杂度都保持为 O(1)

关于 LinkedList，除了它是以链表实现的集合外，还有一些特殊的特性需要注意的。

优势：LinkedList 底层没有扩容机制，使用双向链表存储元素，所以插入和删除元素效率较高，适用于频繁操作元素的场景
劣势：LinkedList 不具备随机访问的特点，查找某个元素只能从 head 或 tail 指针一个一个比较，所以查找中间的元素时效率很低
查找优化：LinkedList 查找某个下标 index 的元素时做了优化，若 index > (size / 2)，则从 head 往后查找，否则从 tail 开始往前查找，代码如下所示：

LinkedList.Node<E> node(int index) {
    LinkedList.Node x;
    int i;
    if (index < this.size >> 1) { // 查找的下标处于链表前半部分则从头找
        x = this.first;
        for(i = 0; i < index; ++i) { x = x.next; }
        return x;
    } else { // 查找的下标处于数组的后半部分则从尾开始找
        x = this.last;
        for(i = this.size - 1; i > index; --i) { x = x.prev; }
        return x;
    }
}