三大数据结构链表、树和图，顺序表作为其中的一种，可以说是平时编程中最长使用到的。List接口是顺序表在java中的实现，它有很多子接口和实现类，平时的编程中使用起来非常方便。但是更进一步，我们有必要对其实现和原理进行理解，并和数据结构中所学比较，并应用于平时的编程中，编写出高效率的代码。

首先看下list接口的层次关系，下图由本人根据jdk的类结构简单画的：

从上图可以看出，list接口有Collection接口衍生而出，那么首先了解下Collection接口。

Collection

collection 是集合框架的根，他定义的集合操作的通用行为，如添加元素、批量添加、删除、批量删除、集合大小、包含、迭代器等。它的接口定义这里不再贴，在关系上，Collection是继承于Iterable接口的，其只有一个方法：

[java]view plain copy
public interface Iterable<T> {  
   
    /** 
     * Returns an {@link Iterator} for the elements in this object. 
     * 
     * @return An {@code Iterator} instance. 
     */  
    Iterator<T> iterator();  
}  

其中Iterator如下：

[java]view plain copy
public interface Iterator<E> {  
    
    public boolean hasNext();  
   
    public E next();  
   
    public void remove();  
}

AbstractCollection

AbstractCollection 是Collection接口的抽象实现，实现了其中大部分的功能。如下所示，我们实现自己的Collection只需要实现三个方法即可：

[java]view plain copy
Collection<String> c =  
           /** 
        * 
        *自定义实现示例，在AbstractCollection 中的一些方法的实现中，如Clear，调用了 
        *iterator()方法，而在这些方法在子类中，实现这是典型的template模式。 
        * 
        */  
       new AbstractCollection<String>() {  
   
           /* * 
            * 迭代器 
            */  
           @Override  
           public Iterator<String> iterator() {  
              // TODO Auto-generated method stub  
              return null;  
           }  
   
           /* 
            * 大小 
            */  
           @Override  
           public int size() {  
              // TODO Auto-generated method stub  
              return 0;  
           }  
            
           /* 
            * 抽象实现是抛出异常，我们需要自己实现 
            */  
           @Override  
           public boolean add(String e) {  
              return true;  
           }  
       };  

如下代码片段摘自AbstractCollection，调用了iterator方法，其中有很多类似代码,如addAll、removeAll、contains、toArray()等，这些实现只是基本的实现，子类中有更有效率的就会覆盖它。典型的可见后面的Arraylist的toArray()。

[java]view plain copy
public void clear() {  
    Iterator<E> e = iterator();  
    while (e.hasNext()) {  
        e.next();  
        e.remove();  
    }  
    }  

List

List接口表示数据结构中的链表，其继承collection接口，又往里面添加了一些链表操作的方法，主要是随机访问、删除、查找、专用的迭代器等，如下所示：

[java]view plain copy
/** 
   随机获取 
*/  
E get(int index);  
   
    /** 
     * 随机设置值 
     */  
    E set(int index, E element);  
   
    /** 
     * 随机添加 
     */  
    void add(int index, E element);  
   
    /** 
     *随机移除 
     */  
    E remove(int index);  
   
   
    // Search Operations  
   
    /** 
     * 查找 
     */  
    int indexOf(Object o);  
   
    /** 
     * 从后查找 
     */  
    int lastIndexOf(Object o);  
   
   
    // List Iterators  
   
    /** 
     *专用迭代 
     */  
    ListIterator<E> listIterator();  
   
    /** 
     * 从某个位置迭代 
     */  
    ListIterator<E> listIterator(int index);  
   
    // View  
   
    /** 
     * 子列表 
     */  
    List<E> subList(int fromIndex, int toIndex);  

AbstractList

这是List接口的抽象实现，和AbstractCollection类似，实现了基本的功能而把关键的方法延迟到子类中实现。如下所示一个示意子类：

[java]view plain copy
List<String>  l = /** 
        * 
        *示例实现 
        */  
       new AbstractList<String>() {  
   
           /* 
            * 随机获取 
            */  
           @Override  
           public String get(int index) {  
              return null;  
           }  
   
           /* 
            * 大小 
            */  
           @Override  
           public int size() {  
              return 0;  
           }  
            
           /* 
            * 超类中实现抛出异常，表示不可变list 
            * 
            * 自己实现后变为可变 
            */  
           @Override  
           public String set(int index, String element) {  
              return null;  
           }  
            
            
           /* 
            * 默认实现抛出异常 
            */  
            
           @Override  
           public void add(int index, String element) {  
           }  
            
           /** 
            * 默认实现抛出异常 
            */  
           @Override  
           public String remove(int index) {  
               
              return null;  
           }  
            
       };  

ListIterator

List接口添加了新的方法，其中一个方法就是返回ListIterator,其扩展了iterator，增加了向前遍历的方法。主要链表是有序的。

其实现不多说，需要注意的就是迭代器失效问题，在list实现中，维护了一个字段modCount，当此list进行改变操作，如add/remove等的时候，此值会进行改变，当构造迭代器的时候，此值会在迭代器中保留一个副本，使用迭代器中的方法都会检查副本和list中的modCount是否一致，如果不一致，抛出迭代器异常。需要注意的是，java中的for each语法，经过编译后，是使用的迭代器。

如下部分源码示例：

[java]view plain copy
private class Itr implements Iterator<E> {  
    /** 此类是个内部类，直接访问abstractList的字段 
     * Index of element to be returned by subsequent call to next. 
     */  
    int cursor = 0;  
   
    /** 
     * Index of element returned by most recent call to next or 
     * previous.  Reset to -1 if this element is deleted by a call 
     * to remove. 
     */  
    int lastRet = -1;  
   
    /** 
     * 注意这点 
     */  
    int expectedModCount = modCount;  
   
     
/** 
     *迭代器的next方法 
     */  
   
    public E next() {  
   
/** 
     *操作前进行检查 
     */  
            checkForComodification();  
        try {  
       E next = get(cursor);  
       lastRet = cursor++;  
       return next;  
        } catch (IndexOutOfBoundsException e) {  
       checkForComodification();  
       throw new NoSuchElementException();  
        }  
    }  
/** 
     *检查迭代器失效问题。 
     */  
    final void checkForComodification() {  
        if (modCount != expectedModCount)  
       throw new ConcurrentModificationException();  
    }  
    }  

ArrayList

这是一般编程中最长使用的数据结构，基于数组实现的顺序表，但是数组可自动扩容。它直接继承于abstractList,故只研究其关键实现和方法。

数组存储

ArrayList是基于数组的存储，默认构造初始大小是10，后面我们会看到这个初始大小会一定程度上影响其性能：

[java]view plain copy
/** 
     * The array buffer into which the elements of the ArrayList are stored. 
     * The capacity of the ArrayList is the length of this array buffer. 
     */  
private transient Object[] elementData;  
public ArrayList(int initialCapacity) {  
    super();  
        if (initialCapacity < 0)  
            throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+  
                                               initialCapacity);  
    this.elementData = new Object[initialCapacity];  
    }  
   
    /** 
     * Constructs an empty list with an initial capacity of ten. 
     */  
    public ArrayList() {  
    this(10);  
    }  

Add方法

List接口有两个add的重载方法，第一个是在list的末尾添加元素，第二个是随机位置添加元素，其自动扩展数据容量的方法是ensureCapacity(int),保证大小：

[java]view plain copy
/** 
     * 此方法在父类中已经实现，但是arralylist覆盖了其实现，采用更加有效率的实现 
     */  
    public boolean add(E e) {  
       ensureCapacity(size + 1);  // Increments modCount!!  
       elementData[size++] = e;  
       return true;  
        }  
   
        /** 
         * 任意位置添加元素，相应的元素后移，保持链表的特性。 
         * 其中System.arrayCopy效率较高。 
         * 
         */  
        public void add(int index, E element) {  
       if (index > size || index < 0)  
           throw new IndexOutOfBoundsException(  
           "Index: "+index+", Size: "+size);  
   
       ensureCapacity(size+1);  // Increments modCount!!  
       System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,  
               size - index);  
       elementData[index] = element;  
       size++;  
        }  
         
         
        /** 
         * 保证list链表的大小，如果不足则扩容。 
         * 这个方法比较消耗性能，因此，如果实现可以知道或者预估AyyayList的大小，那么 
         * 可以在构造的时候设定合适的初始容量。 
         */  
        public void ensureCapacity(int minCapacity) {  
       modCount++;  
       //获取旧的数组大小  
       int oldCapacity = elementData.length;  
       //比较，如果不足则扩容  
       if (minCapacity > oldCapacity) {  
           Object oldData[] = elementData;  
           int newCapacity = (oldCapacity * 3)/2 + 1;  
            if (newCapacity < minCapacity)  
           newCapacity = minCapacity;  
                // 调用效率较高的arraycopy  
                elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);  
       }  
        }  

Vector

实现和ArraaylIst基本一致，只是在方法上加了同步操作，但需要注意其线程安全是相对的，比如一个线程进行add操作，另外一个线程迭代，肯定会出异常。

另外有个Stack继承Vector，添加了栈的相关方法，如push,和pop。

LinkedList

基于链表的顺序表，和ArrayList相比，其随机插入和删除的效率较高，因为其不需要扩容和移动元素操作，但是随机访问效率较低（随机访问需要从头节点遍历）。

AbstractSequentialList

LinkedList其继承于AbstractSequentialList，而其中AbstractSequentialList实现了abstractlist中的抽象方法，都是基于迭代器实现的，它同时把返回迭代器的方法覆盖为抽象方法。故LinkedList实现的关键在于迭代器，如下所示：

[java]view plain copy
public abstract class AbstractSequentialList<E> extends AbstractList<E> {  
     
   
    /** 
          *基于迭代器实现的get 
     */  
    public E get(int index) {  
        try {  
            return listIterator(index).next();  
        } catch (NoSuchElementException exc) {  
            throw new IndexOutOfBoundsException("Index: "+index);  
        }  
    }  
   
    /** 
     *基于迭代器实现的set 
     */  
    public E set(int index, E element) {  
    try {  
        ListIterator<E> e = listIterator(index);  
        E oldVal = e.next();  
        e.set(element);  
        return oldVal;  
    } catch (NoSuchElementException exc) {  
        throw new IndexOutOfBoundsException("Index: "+index);  
    }  
    }  
   
/* 
基于迭代器实现的add 
  
     */  
    public void add(int index, E element) {  
    try {  
        listIterator(index).add(element);  
    } catch (NoSuchElementException exc) {  
        throw new IndexOutOfBoundsException("Index: "+index);  
    }  
    }  
   
    /** 
     * 基于迭代器实现的remove 
     * 
     */  
    public E remove(int index) {  
    try {  
        ListIterator<E> e = listIterator(index);  
        E outCast = e.next();  
        e.remove();  
        return outCast;  
    } catch (NoSuchElementException exc) {  
        throw new IndexOutOfBoundsException("Index: "+index);  
    }  
}  
   
    public Iterator<E> iterator() {  
        return listIterator();  
    }  
   
    /** 
     * Returns a list iterator over the elements in this list (in proper 
     * sequence). 
     * 
     */  
    public abstract ListIterator<E> listIterator(int index);  
}  

LinkedList

Linkedlist除了实现了List接口，还实现了队列的相关接口，这里略过不提。由listiterator接口，可知linkedList也是一个可双向遍历的顺序表。

只需研究每个链表节点的结构和迭代器实现。

链表节点如下所示，是一个静态内部类：

[java]view plain copy
private static class Entry<E> {  
    E element;  
    Entry<E> next;  
    Entry<E> previous;  
   
    Entry(E element, Entry<E> next, Entry<E> previous) {  
        this.element = element;  
        this.next = next;  
        this.previous = previous;  
    }  
    }  

其迭代器实现是一个内部类，接下来以其add操作说明，其他类似：

[java]view plain copy
private class ListItr implements ListIterator<E> {  
           private Entry<E> lastReturned = header;  
           private Entry<E> next;  
           private int nextIndex;  
           private int expectedModCount = modCount;  
   
           /** 
            * 构造的时候采用一个优化技巧，根据index决定从前还是从后遍历。 
            */  
           ListItr(int index) {  
               if (index < 0 || index > size)  
              throw new IndexOutOfBoundsException("Index: "+index+  
                                ", Size: "+size);  
               if (index < (size >> 1)) {  
              next = header.next;  
               for (nextIndex=0; nextIndex<index; nextIndex++)  
                  next = next.next;  
               } else {  
              next = header;  
              for (nextIndex=size; nextIndex>index; nextIndex--)  
                  next = next.previous;  
               }  
           }  
   
   
           /* 
            * 链表插入，在构造此迭代器的时候，index就是插入的位置，故直接插入元素即可 
            * 
            * addbefor是ArrayList的方法，就是链表插入，指针改变的过程，这里不赘述。 
            */  
           public void add(E e) {  
               checkForComodification();  
               lastReturned = header;  
               addBefore(e, next);  
               nextIndex++;  
               expectedModCount++;  
           }  
   
           final void checkForComodification() {  
               if (modCount != expectedModCount)  
              throw new ConcurrentModificationException();  
           }  
           }  
       
       
       
         
       
          /** 
         *AbstractSequentialList的方法，随机插入。首先构造从index开始的迭代器 
         */  
        public void add(int index, E element) {  
           try {  
               listIterator(index).add(element);  
           } catch (NoSuchElementException exc) {  
               throw new IndexOutOfBoundsException("Index: "+index);  
           }  
           }  

CopyOnWriteArrayList

CopyOnWriteArrayList是java并发包中的一个工具类，在jdk1.5的时候被引入，单独一个它的内容足以写一篇文章，故这里不再展开，只是简要对其说明。

其基本思想从名称中可以看出，当进行写操作的时候，先复制复制出一个副本，写操作对副本进行。

读和遍历操作发生在操作发生的那一刻存在的副本上。

写操作的时候枷锁，读操作的时候不加锁。并通过java内存模型的语义，进行优雅的设计。

CopyOnWrite并发容器用于读多写少的并发场景。CopyOnWrite容器只能保证数据的最终一致性，不能保证数据的实时一致性。所以如果你希望写入的的数据，马上能读到，请不要使用CopyOnWrite容器。

03 java list 源码浅析

Collection

AbstractCollection

List

AbstractList

ListIterator

ArrayList

数组存储

Add方法

Vector

LinkedList

AbstractSequentialList

LinkedList

CopyOnWriteArrayList

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