Java集合ArrayList与LinkedList详解
前言
对于Java程序员，可以说对于ArrayList和LinkedList可谓是十分熟悉了
对于ArrayList和LinkedList，他们都是List接口的一个实现类，并且我们知道他们的实现方式各不相同，例如ArrayList底层实现是一个数组，而LinkedList底层实现是链表，对于数组来说，插入慢但是查询快，而对于链表来说查询慢，插入快
今天我们就来分析分析他们的源码
ArrayList
我们先看一看ArrayList的类图。他继承于AbstractList，而这个类是List类的的骨架，可以说这个类是List类的基石
成员属性
private static final long serialVersionUID = 8683452581122892189L;
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};
private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};
transient Object[] elementData;
private int size;这里需要主要关注的成员属性为size和elementData，一个是元素个数，一个是真正存储数据的数组
构造函数
public ArrayList(int initialCapacity) {
if (initialCapacity > 0) {
this.elementData = new Object[initialCapacity];
} else if (initialCapacity == 0) {
this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
} else {
throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+
initialCapacity);
}
}
public ArrayList() {
this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
}
public ArrayList(Collection<? extends E> c) {
elementData = c.toArray();
if ((size = elementData.length) != 0) {
// c.toArray might (incorrectly) not return Object[] (see 6260652)
if (elementData.getClass() != Object[].class)
elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class);
} else {
// replace with empty array.
this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
}
}扩容机制
我们知道ArrayList是一个动态数组，但是他的底层实现是一个数组，那他是怎样保证动态的呢？
ArrayList每次添加元素之前，都会检查添加元素后的元素个数是否超过数组长度，如果超出，那么就会进行扩容，而数组扩容通过一个公开的方法实现，我们也可以手动进行扩容
public void ensureCapacity(int minCapacity) {
//判断数组是否等于默认空数组，不等于则给minExpand赋值为10
int minExpand = (elementData != DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA)
? 0 : DEFAULT_CAPACITY;
//判断参数是否大于minExpand大于的时候才会去扩容
if (minCapacity > minExpand) {
ensureExplicitCapacity(minCapacity);
}
}
private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
modCount++;//记录数组修改次数 + 1
if (minCapacity - elementData.length > 0)
grow(minCapacity);
}
//真正扩容的方法
private void grow(int minCapacity) {
//获取原来的容量
int oldCapacity = elementData.length;
//计算新容量，新容量大小 = 旧容量大小的1.5倍
int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
//如果需要的容量比新容量还小就用需要的容量
if (newCapacity - minCapacity < 0)
newCapacity = minCapacity;
//如果新容量大于最大容量就用最大的容量
if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
//数据拷贝
elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
}我们可以发现每次扩容，ArrayList都会扩容1.5倍，通过位运算完成计算扩容大小的，我们知道，扩容之后进行数据迁移这个操作是很费时间的，比如我们有10w条数据，这样的话，进行数据迁移的时候，我们会耗费很长时间，所以我们建议再初始化的时候就定义一个容量，这样可以让ArrayList的效率提高很多
add方法
//添加元素到尾部
public boolean add(E e) {
//检查是否需要扩容
ensureCapacityInternal(size + 1);
//将元素添加到数组末尾，并把size++
elementData[size++] = e;
return true;
}
//添加元素到指定索引
public void add(int index, E element) {
//检查index是否越界
rangeCheckForAdd(index);
//检查是否需要扩容
ensureCapacityInternal(size + 1);
//将index以及之后的元素向后挪动一位
//这样index就能添加元素了
System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,
size - index);
//添加元素到index的位置
elementData[index] = element;
size++;
}
//将集合c的元素添加到list中
public boolean addAll(Collection<? extends E> c) {
//把c转换为数组
Object[] a = c.toArray();
//拿到c的长度
int numNew = a.length;
//检查是否需要扩容
ensureCapacityInternal(size + numNew); // Increments modCount
//将a数组拷贝到原来数组的末尾
System.arraycopy(a, 0, elementData, size, numNew);
size += numNew;
return numNew != 0;
}
//将集合c的元素从index位置开始添加到list中
public boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c) {
//检查index是否越界
rangeCheckForAdd(index);
//将c转换为数组
Object[] a = c.toArray();
//获取数组a的长度
int numNew = a.length;
//检查是否需要扩容
ensureCapacityInternal(size + numNew); // Increments modCount
//计算需要移动的长度
int numMoved = size - index;
if (numMoved > 0)
//向后移动
System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + numNew,
numMoved);
将数组a拷贝到原数组中
System.arraycopy(a, 0, elementData, index, numNew);
size += numNew;
return numNew != 0;
}get方法
public E get(int index) {
//检查index是否越界
rangeCheck(index);
//返回对应数组中指定索引的元素
return elementData(index);
}remove方法
//删除指定索引的元素
public E remove(int index) {
//判断index是否越界
rangeCheck(index);
//将数组修改次数+1
modCount++;
//拿到对应索引的元素
E oldValue = elementData(index);
计算移动位置
int numMoved = size - index - 1;
if (numMoved > 0)
//移动数组
System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,
numMoved);
//size-1，并把尾部元素置为null，这里把尾部置为null主要是为了让GC起作用
elementData[--size] = null;
return oldValue;
}
//删除第一个满足o.equals(elementData[index]的元素
public boolean remove(Object o) {
if (o == null) {
//如果o为null使用==进行判断
//从索引为0的元素开始寻找
for (int index = 0; index < size; index++)
if (elementData[index] == null) {
fastRemove(index);
return true;
}
} else {
//否则使用equals判断
//从索引为0的元素开始寻找
for (int index = 0; index < size; index++)
if (o.equals(elementData[index])) {
fastRemove(index);
return true;
}
}
return false;
}小结
- 如果我们的数据量很大，我们可以给List估算一个容量，然后进行初始化，否则会对效率有影响，毕竟一直进行数据迁移。
- 最开始Arraylist的容量为10，每次扩容为原先容量的1.5倍，但是如果我们已经扩容的数组，是不能进行缩容的，例如我们添加了10个元素，这个时候已经扩容了，但是我们删除最后一个元素，他是不会进行缩容的
- 我们并没有看到他方法上有synchronized关键字，所以他也不是线程安全的，我们可以使用Vector或者使用
Collections.synchronizedList(list)
LinkedList
对于LinkedList，它同样继承与AbstractList，在前面已经说过了，AbstractList是List的骨架，我们还可以看到它实现了Deque，所以LinkedList既可以看做一个链表也可以看做是一个队列，同样也可以看做一个栈，所以LinkedList比较全能
Node类
我们知道LinkedList是一个双向链表，那么肯定有一个个的Node，所以我们先来看一看Node类
private static class Node<E> {
E item;
Node<E> next;
Node<E> prev;
Node(Node<E> prev, E element, Node<E> next) {
this.item = element;
this.next = next;
this.prev = prev;
}
}这部分代码比较简单就简单说一下，Node节点有三个成员属性，分别是value，前驱指针，后继指针，以及一个全参构造方法
成员属性
transient int size = 0;
transient Node<E> first;
transient Node<E> last;
private static final long serialVersionUID = 876323262645176354L;构造函数
//空参构造，没什么好说的
public LinkedList() {
}
//将集合c的元素添加到链表中
public LinkedList(Collection<? extends E> c) {
//调用空参构造
this();
//调用addAll()这个方法在下面讲述
addAll(c);
}添加
public boolean add(E e) {
linkLast(e);//添加元素到末尾
return true;
}
//将元素添加到指定index位置
public void add(int index, E element) {
//检查索引是否大于size或者小于0
checkPositionIndex(index);
//如果索引位置和size相等添加到末尾
if (index == size)
linkLast(element);
else
//添加到指定位置
linkBefore(element, node(index));
}
public void addFirst(E e) {
linkFirst(e);//添加元素到头部
}
public void addLast(E e) {
linkLast(e);//添加元素到末尾
}
//添加到头部
private void linkFirst(E e) {
//拿到头指针
final Node<E> f = first;
//new一个Node节点，值为e，next为头指针，pre为null
final Node<E> newNode = new Node<>(null, e, f);
//将头指针替换为新的
first = newNode;
//将f的pre修改为现在的头指针
if (f == null)
last = newNode;
else
f.prev = newNode;
size++;
modCount++;
}
//添加到末尾
void linkLast(E e) {
//拿到尾指针
final Node<E> l = last;
//new一个Node节点，值为e，next为null，pre为尾指针
final Node<E> newNode = new Node<>(l, e, null);
//替换尾指针
last = newNode;
//将l的next修改为现在的尾指针
if (l == null)
first = newNode;
else
l.next = newNode;
size++;
modCount++;
}
//将集合c的元素添加到list中
public boolean addAll(Collection<? extends E> c) {
//从尾部开始添加
return addAll(size, c);
}
//真正的addAll方法
public boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c) {
//检查index正确
checkPositionIndex(index);
//先把c转换为数组
Object[] a = c.toArray();
//拿到c的长度
int numNew = a.length;
if (numNew == 0)
return false;
//定义两个指针，一个前驱一个后继
Node<E> pred, succ;
if (index == size) {
succ = null;
pred = last;
} else {
succ = node(index);
pred = succ.prev;
}
//遍历数组a
for (Object o : a) {
@SuppressWarnings("unchecked") E e = (E) o;
//new一个Node节点，值为e，前驱为pred，后继为null
Node<E> newNode = new Node<>(pred, e, null);
//pred为null，证明前驱为null，当前节点为链表的头结点
if (pred == null)
first = newNode;
else
//前驱节点后继指针指向头结点
pred.next = newNode;
//前驱节点后移
pred = newNode;
}
//succ为null证明index索引位于链表最后
if (succ == null) {
last = pred;
} else {
//pred的后继节点为succ
pred.next = succ;
//succ的前驱节点为pred
succ.prev = pred;
}
size += numNew;
modCount++;
return true;
}获取
//这个方法是Node类的方法，我们可以看到上面的addAll方法也使用了这个方法
//这个方法作用是返回指定索引的非空节点
Node<E> node(int index) {
//判断该索引位于前半段还是后半段
if (index < (size >> 1)) {
Node<E> x = first;
//前半段：从头部向后搜索
for (int i = 0; i < index; i++)
x = x.next;
return x;
} else {
Node<E> x = last;
//后半段：从尾部向前搜索
for (int i = size - 1; i > index; i--)
x = x.prev;
return x;
}
}
//获取index位置的元素
public E get(int index) {
//检查索引是否正常
checkElementIndex(index);
return node(index).item;
}
//获取头部元素
public E getFirst() {
final Node<E> f = first;
if (f == null)
throw new NoSuchElementException();
return f.item;
}
//获取尾部元素
public E getLast() {
final Node<E> l = last;
if (l == null)
throw new NoSuchElementException();
return l.item;
}删除
//删除index位置的元素
public E remove(int index) {
//检查索引是否大于size或者小于0
checkElementIndex(index);
//删除index位置的元素
return unlink(node(index));
}
//删除头部元素，这个方法是Node类的方法
private E unlinkFirst(Node<E> f) {
//拿到头节点的值
final E element = f.item;
//拿到头结点的next值
final Node<E> next = f.next;
//将头结点的值置为null(帮助GC)
f.item = null;
//将头结点的next置为null(帮助GC)
f.next = null;
//将头结点修改为next
first = next;
if (next == null)
//此时链表没有元素了
last = null;
else
next.prev = null;
size--;
modCount++;
return element;
}
//删除尾部元素，这个方法是Node类的方法
private E unlinkLast(Node<E> l) {
//拿到尾节点的值
final E element = l.item;
//拿到尾节点的前驱
final Node<E> prev = l.prev;
//将尾结点的值置为null(帮助GC)
l.item = null;
//将尾结点的next置为null(帮助GC)
l.prev = null;
//将尾指针修改为prev
last = prev;
if (prev == null)
//此时链表没有元素了
first = null;
else
prev.next = null;
size--;
modCount++;
return element;
}小结
- 虽然说链表的删除的效率为O(1),但是在LinkedList中我们需要先利用node方法查询到指定节点的位置，然后再去删除，所以千万不要误认为LinkedList的remove方法是O(1)
- LinkedList删除头部和尾部的元素效率为O(1)
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