List集合就這麼簡單【原始碼剖析】

Java3y發表於2018-04-08

原始碼

前言

宣告，本文用得是jdk1.8

前一篇已經講了Collection的總覽：Collection總覽，介紹了一些基礎知識。

現在這篇主要講List集合的三個子類：

ArrayList
- 底層資料結構是陣列。執行緒不安全
LinkedList
- 底層資料結構是連結串列。執行緒不安全
Vector
- 底層資料結構是陣列。執行緒安全

這篇主要來看看它們比較重要的方法是如何實現的，需要注意些什麼，最後比較一下哪個時候用哪個～

看這篇文章之前最好是有點資料結構的基礎：Java實現單向連結串列，棧和佇列就是這麼簡單，二叉樹就這麼簡單

當然了，如果講得有錯的地方還請大家多多包涵並不吝在評論去指正～

一、ArrayList解析

首先，我們來講解的是ArrayList集合，它是我們用得非常非常多的一個集合~

首先，我們來看一下ArrayList的屬性：

根據上面我們可以清晰的發現：ArrayList底層其實就是一個陣列，ArrayList中有擴容這麼一個概念，正因為它擴容，所以它能夠實現“動態”增長

1.2構造方法

我們來看看構造方法來印證我們上面說得對不對：

1.3Add方法

add方法可以說是ArrayList比較重要的方法了，我們來總覽一下：

1.3.1add(E e)

步驟：

檢查是否需要擴容
插入元素

首先，我們來看看這個方法：


    public boolean add(E e) {
        ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
        elementData[size++] = e;
        return true;
    }
複製程式碼

該方法很短，我們可以根據方法名就猜到他是幹了什麼：

確認list容量，嘗試容量加1，看看有無必要
新增元素

接下來我們來看看這個小容量(+1)是否滿足我們的需求：

隨後呼叫ensureExplicitCapacity()來確定明確的容量，我們也來看看這個方法是怎麼實現的：

所以，接下來看看grow()是怎麼實現的~

進去看copyOf()方法：

到目前為止，我們就可以知道add(E e)的基本實現了：

首先去檢查一下陣列的容量是否足夠
- 足夠：直接新增
- 不足夠：擴容
  - 擴容到原來的1.5倍
  - 第一次擴容後，如果容量還是小於minCapacity，就將容量擴充為minCapacity。

1.3.2add(int index, E element)

步驟：

檢查角標
空間檢查，如果有需要進行擴容
插入元素

我們來看看插入的實現：

我們發現，與擴容相關ArrayList的add方法底層其實都是arraycopy()來實現的

看到arraycopy()，我們可以發現：該方法是由C/C++來編寫的，並不是由Java實現：

總的來說：arraycopy()還是比較可靠高效的一個方法。

參考R大回答：www.zhihu.com/question/53…

1.4 get方法

檢查角標
返回元素




   // 檢查角標
   private void rangeCheck(int index) {
        if (index >= size)
            throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
    }
	
	// 返回元素
    E elementData(int index) {
        return (E) elementData[index];
    }
複製程式碼

1.5 set方法

步驟：

檢查角標
替代元素
返回舊值

1.6remove方法

步驟：

檢查角標
刪除元素
計算出需要移動的個數，並移動
設定為null，讓Gc回收

1.7細節再說明

ArrayList是基於動態陣列實現的，在增刪時候，需要陣列的拷貝複製。
ArrayList的預設初始化容量是10，每次擴容時候增加原先容量的一半，也就是變為原來的1.5倍
刪除元素時不會減少容量，若希望減少容量則呼叫trimToSize()
它不是執行緒安全的。它能存放null值。

參考資料：

二、Vector與ArrayList區別

Vector是jdk1.2的類了，比較老舊的一個集合類。

Vector底層也是陣列，與ArrayList最大的區別就是：同步(執行緒安全)

Vector是同步的，我們可以從方法上就可以看得出來~

在要求非同步的情況下，我們一般都是使用ArrayList來替代Vector的了~

如果想要ArrayList實現同步，可以使用Collections的方法：List list = Collections.synchronizedList(new ArrayList(...));，就可以實現同步了~

還有另一個區別：

ArrayList在底層陣列不夠用時在原來的基礎上擴充套件0.5倍，Vector是擴充套件1倍。、

Vector原始碼的解析可參考：

三、LinkedList解析

LinkedList底層是雙向連結串列~如果對於連結串列不熟悉的同學可先看看我的單向連結串列(雙向連結串列的練習我還沒做)【Java實現單向連結串列】

理解了單向連結串列，雙向連結串列也就不難了。

從結構上，我們還看到了LinkedList實現了Deque介面，因此，我們可以操作LinkedList像操作佇列和棧一樣~

LinkedList變數就這麼幾個，因為我們操作單向連結串列的時候也發現了：有了頭結點，其他的資料我們都可以獲取得到了。(雙向連結串列也同理)

3.1構造方法

LinkedList的構造方法有兩個：

3.2add方法

如果做過連結串列的練習，對於下面的程式碼並不陌生的~

add方法實際上就是往連結串列最後新增元素


    public boolean add(E e) {
        linkLast(e);
        return true;
    }

    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++;
    }
複製程式碼

3.3remove方法

實際上就是下面那個圖的操作：

3.4get方法

可以看到get方法實現就兩段程式碼：

    public E get(int index) {
        checkElementIndex(index);
        return node(index).item;
    }
複製程式碼

我們進去看一下具體的實現是怎麼樣的：

3.5set方法

set方法和get方法其實差不多，根據下標來判斷是從頭遍歷還是從尾遍歷


    public E set(int index, E element) {
        checkElementIndex(index);
        Node<E> x = node(index);
        E oldVal = x.item;
        x.item = element;
        return oldVal;
    }

複製程式碼

......LinkedList的方法比ArrayList的方法多太多了，這裡我就不一一說明了。具體可參考：

四、總結

其實集合的原始碼看起來並不是很困難，遇到問題可以翻一翻，應該是能夠看懂的~

ArrayList、LinkedList、Vector算是在面試題中比較常見的的知識點了。下面我就來做一個簡單的總結：

ArrayList：

底層實現是陣列
ArrayList的預設初始化容量是10，每次擴容時候增加原先容量的一半，也就是變為原來的1.5倍
在增刪時候，需要陣列的拷貝複製(navite 方法由C/C++實現)

LinkedList：

底層實現是雙向連結串列[雙向連結串列方便實現往前遍歷]

Vector：

底層是陣列，現在已少用，被ArrayList替代，原因有兩個：
- Vector所有方法都是同步，有效能損失。
- Vector初始length是10 超過length時以100%比率增長，相比於ArrayList更多消耗記憶體。
- 參考資料：www.zhihu.com/question/31…

總的來說：查詢多用ArrayList，增刪多用LinkedList。

ArrayList增刪慢不是絕對的(在數量大的情況下，已測試)：