在上一章《初探java集合框架圖》中,我相信大部分朋友對java容器整體架構都有了初步的瞭解,那麼本章主要是想詳細的介紹以下 List 介面實現類之間的區別! ...
一、List簡介
List 的數據結構就是一個序列,存儲內容時直接在記憶體中開闢一塊連續的空間,然後將空間地址與索引對應。
以下是List集合簡易架構圖
由圖中的繼承關係,可以知道,ArrayList、LinkedList、Vector、Stack都是List的四個實現類。
- AbstractCollection 是一個抽象類,它唯一實現Collection介面的類。AbstractCollection主要實現了toArray()、toArray(T[] a)、remove()等方法。
- AbstractList 也是一個抽象類,它繼承於AbstractCollection。AbstractList實現List介面中除size()、get(int location)之外的函數,比如特定迭代器ListIterator。
- AbstractSequentialList 是一個抽象類,它繼承於AbstractList。AbstractSequentialList 實現了“鏈表中,根據index索引值操作鏈表的全部函數”。
- ArrayList 是一個動態數組,它由數組實現。隨機訪問效率高,隨機插入、隨機刪除效率低。
- LinkedList 是一個雙向鏈表。它也可以被當作堆棧、隊列或雙端隊列進行操作。LinkedList隨機訪問效率低,但隨機插入、隨機刪除效率高。
- Vector 也是一個動態數組,和ArrayList一樣,也是由數組實現。但是ArrayList是非線程安全的,而Vector是線程安全的。
- Stack 是棧,它繼承於Vector。它的特性是:先進後出(FILO, First In Last Out)。
下麵對各個實現類進行方法剖析!
二、ArrayList
ArrayList實現了List介面,也是順序容器,即元素存放的數據與放進去的順序相同,允許放入null元素,底層通過數組實現。
除該類未實現同步外,其餘跟Vector大致相同。
在Java1.5之後,集合還提供了泛型,泛型只是編譯器提供的語法糖,方便編程,對程式不會有實質的影響。因為所有的類都預設繼承至Object,所以這裡的數組是一個Object數組,以便能夠容納任何類型的對象。
常用方法介紹
2.1、get方法
get()方法同樣很簡單,先判斷傳入的下標是否越界,再獲取指定元素。
public E get(int index) {
rangeCheck(index);
return elementData(index);
}
/**
* 檢查傳入的index是否越界
*/
private void rangeCheck(int index) {
if (index >= size)
throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
}
2.2、set方法
set()方法也非常簡單,直接對數組的指定位置賦值即可。
public E set(int index, E element) {
rangeCheck(index);
E oldValue = elementData(index);
elementData[index] = element;
return oldValue;
}
2.3、add方法
ArrayList添加元素有兩個方法,一個是add(E e),另一個是add(int index, E e)。
這兩個方法都是向容器中添加新元素,可能會出現容量(capacity)不足,因此在添加元素之前,都需要進行剩餘空間檢查,如果需要則自動擴容。擴容操作最終是通過grow()方法完成的。
grow方法實現
private void grow(int minCapacity) {
// overflow-conscious code
int oldCapacity = elementData.length;
int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);//原來的1.5倍
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);
}
添加元素還有另外一個addAll()方法,addAll()方法能夠一次添加多個元素,根據位置不同也有兩個方法,一個是在末尾添加的addAll(Collection<? extends E> c)方法,一個是從指定位置開始插入的addAll(int index, Collection<? extends E> c)方法。
不同點:addAll()的時間複雜度不僅跟插入元素的多少有關,也跟插入的位置相關,時間複雜度是線性增長!
2.4、remove方法
remove()方法也有兩個版本,一個是remove(int index)刪除指定位置的元素;另一個是remove(Object o),通過o.equals(elementData[index])來刪除第一個滿足的元素。
需要將刪除點之後的元素向前移動一個位置。需要註意的是為了讓GC起作用,必須顯式的為最後一個位置賦null值。
- remove(int index)方法
public E remove(int index) {
rangeCheck(index);
modCount++;
E oldValue = elementData(index);
int numMoved = size - index - 1;
if (numMoved > 0)
System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,
numMoved);
elementData[--size] = null; //賦null值,方便GC回收
return oldValue;
}
- remove(Object o)方法
public boolean remove(Object o) {
if (o == null) {
for (int index = 0; index < size; index++)
if (elementData[index] == null) {
fastRemove(index);
return true;
}
} else {
for (int index = 0; index < size; index++)
if (o.equals(elementData[index])) {
fastRemove(index);
return true;
}
}
return false;
}
三、LinkedList
在上篇文章中,我們知道LinkedList同時實現了List介面和Deque介面,也就是說它既可以看作一個順序容器,又可以看作一個隊列(Queue),同時又可以看作一個棧(Stack)。
LinkedList底層通過雙向鏈表實現,通過first
和last
引用分別指向鏈表的第一個和最後一個元素,註意這裡沒有所謂的啞元(某個參數如果在子程式或函數中沒有用到,那就被稱為啞元),當鏈表為空的時候first
和last
都指向null。
public class LinkedList<E>
extends AbstractSequentialList<E>
implements List<E>, Deque<E>, Cloneable, java.io.Serializable
{
/**容量*/
transient int size = 0;
/**鏈表第一個元素*/
transient Node<E> first;
/**鏈表最後一個元素*/
transient Node<E> last;
......
}
/**
* 內部類Node
*/
private static class Node<E> {
E item;//元素
Node<E> next;//後繼
Node<E> prev;//前驅
Node(Node<E> prev, E element, Node<E> next) {
this.item = element;
this.next = next;
this.prev = prev;
}
}
常用方法介紹
3.1、get方法
get()方法同樣很簡單,先判斷傳入的下標是否越界,再獲取指定元素。
public E get(int index) {
checkElementIndex(index);
return node(index).item;
}
/**
* 檢查傳入的index是否越界
*/
private void checkElementIndex(int index) {
if (!isElementIndex(index))
throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
}
3.2、set方法
set(int index, E element)方法將指定下標處的元素修改成指定值,也是先通過node(int index)找到對應下表元素的引用,然後修改Node中item的值。
public E set(int index, E element) {
checkElementIndex(index);
Node<E> x = node(index);
E oldVal = x.item;
x.item = element;
return oldVal;
}
3.3、add方法
同樣的,add()方法有兩方法,一個是add(E e),另一個是add(int index, E element)。
- add(E e)方法
該方法在LinkedList的末尾插入元素,因為有last指向鏈表末尾,在末尾插入元素的花費是常數時間,只需要簡單修改幾個相關引用即可。
public boolean add(E e) {
linkLast(e);
return true;
}
/**
* 添加元素
*/
void linkLast(E e) {
final Node<E> l = last;
final Node<E> newNode = new Node<>(l, e, null);
last = newNode;
if (l == null)
//原來鏈表為空,這是插入的第一個元素
first = newNode;
else
l.next = newNode;
size++;
modCount++;
}
- add(int index, E element)方法
該方法是在指定下表處插入元素,需要先通過線性查找找到具體位置,然後修改相關引用完成插入操作。
具體分成兩步,1.先根據index找到要插入的位置;2.修改引用,完成插入操作。
public void add(int index, E element) {
checkPositionIndex(index);
if (index == size)
//調用add方法,直接在末尾添加元素
linkLast(element);
else
//根據index找到要插入的位置
linkBefore(element, node(index));
}
/**
* 插入位置
*/
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++;
}
同樣的,添加元素還有另外一個addAll()方法,addAll()方法能夠一次添加多個元素,根據位置不同也有兩個方法,一個是在末尾添加的addAll(Collection<? extends E> c)方法,另一個是從指定位置開始插入的addAll(int index, Collection<? extends E> c)方法。
裡面也for迴圈添加元素,addAll()的時間複雜度不僅跟插入元素的多少有關,也跟插入的位置相關,時間複雜度是線性增長!
3.4、remove方法
同樣的,remove()方法也有兩個方法,一個是刪除指定下標處的元素remove(int index),另一個是刪除跟指定元素相等的第一個元素remove(Object o)。
兩個刪除操作都是,1.先找到要刪除元素的引用;2.修改相關引用,完成刪除操作。
- remove(int index)方法
通過下表,找到對應的節點,然後將其刪除
public E remove(int index) {
checkElementIndex(index);
return unlink(node(index));
}
- remove(Object o)方法
通過equals判斷找到對應的節點,然後將其刪除
public boolean remove(Object o) {
if (o == null) {
for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
if (x.item == null) {
unlink(x);
return true;
}
}
} else {
for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
if (o.equals(x.item)) {
unlink(x);
return true;
}
}
}
return false;
}
刪除操作都是通過unlink(Node<E> x)
方法完成的。這裡需要考慮刪除元素是第一個或者最後一個時的邊界情況。
/**
* 刪除一個Node節點方法
*/
E unlink(Node<E> x) {
// assert x != null;
final E element = x.item;
final Node<E> next = x.next;
final Node<E> prev = x.prev;
//刪除的是第一個元素
if (prev == null) {
first = next;
} else {
prev.next = next;
x.prev = null;
}
//刪除的是最後一個元素
if (next == null) {
last = prev;
} else {
next.prev = prev;
x.next = null;
}
x.item = null;
size--;
modCount++;
return element;
}
四、Vector
Vector類屬於一個輓救的子類,早在jdk1.0的時候,就已經存在此類,但是到了jdk1.2之後重點強調了集合的概念,所以,先後定義了很多新的介面,比如ArrayList、LinkedList,但考慮到早期大部分已經習慣使用Vector類,所以,為了相容性,java的設計者,就讓Vector多實現了一個List介面,這才將其保留下來。
在使用方面,Vector的get
、set
、add
、remove
方法實現,與ArrayList基本相同,不同的是Vector在方法上加了線程同步鎖synchronized
,所以,執行效率方面,會比較慢!
4.1、get方法
public synchronized E get(int index) {
if (index >= elementCount)
throw new ArrayIndexOutOfBoundsException(index);
return elementData(index);
}
4.2、set方法
public synchronized E set(int index, E element) {
if (index >= elementCount)
throw new ArrayIndexOutOfBoundsException(index);
E oldValue = elementData(index);
elementData[index] = element;
return oldValue;
}
4.3、add方法
public synchronized boolean add(E e) {
modCount++;
ensureCapacityHelper(elementCount + 1);
elementData[elementCount++] = e;
return true;
}
4.4、remove方法
public synchronized boolean removeElement(Object obj) {
modCount++;
int i = indexOf(obj);
if (i >= 0) {
removeElementAt(i);
return true;
}
return false;
}
五、Stack
在 Java 中 Stack 類表示後進先出(LIFO)的對象堆棧。棧是一種非常常見的數據結構,它採用典型的先進後出的操作方式完成的;在現實生活中,手槍彈夾的子彈就是一個典型的後進先出的結構。
在使用方面,主要方法有push
、peek
、pop
。
5.1、push方法
push方法表示,向棧中添加元素
public E push(E item) {
addElement(item);
return item;
}
5.2、peek方法
peek方法表示,查看棧頂部的對象,但不從棧中移除它
public synchronized E peek() {
int len = size();
if (len == 0)
throw new EmptyStackException();
return elementAt(len - 1);
}
5.3、pop方法
pop方法表示,移除元素,並將要移除的元素方法
public synchronized E pop() {
E obj;
int len = size();
obj = peek();
removeElementAt(len - 1);
return obj;
}
關於 Java 中 Stack 類,有很多的質疑聲,棧更適合用隊列結構來實現,這使得Stack在設計上不嚴謹,因此,官方推薦使用Deque下的類來是實現棧!
六、總結
- ArrayList(動態數組結構),查詢快(隨意訪問或順序訪問),增刪慢,但在末尾插入,速度與LinkedList相差無幾!
- LinkedList(雙向鏈表結構),查詢慢,增刪快!
- Vector(動態數組結構),相比ArrayList都慢,被ArrayList替代,基本不在使用。優勢是線程安全(函數都是synchronized),如果需要在多線程下使用,推薦使用併發容器中的工具類來操作,效率高!
- Stack(棧結構)繼承於Vector,數據是先進後出,基本不在使用,如果要實現棧,推薦使用Deque下的ArrayDeque,效率比Stack高!
七、參考
1、JDK1.7&JDK1.8 源碼
2、CarpenterLee - Java集合分析
3、博客園 - 朽木 - ArrayList、LinkedList、Vector、Stack的比較
作者:炸雞可樂
出處:www.pzblog.cn