Java常用数据结构之List

JDK 11正式发布了，Oracle终于出了一个长期维护版本，应该将是继JDK 8之后的一个常规使用版本。

前言

作为Java系开发者对Java集合类的使用应该是较为频繁的，也是面试中经常会被问的问题。一直想整理一下Java集合和Android中的优化集合类，借这次机会把Java中的常用集合都整理一遍。由于JDK 11已出，本系列文章中的源码都来自JDK 11（集合这部分应该没什么变化）。

List类关系

List集合中常用的就是ArrayList和LinkedList，（曾经被问到这两个类的祖先基类是啥？）直接上类图：

List类图

可以看到关键接口类：List、Collection和Iterable属于继承关系，相当于做了一个职责区分（设计模式的职责单一原则）。而AbstractCollection、AbstractList和AbstractSequentialList是抽象类，对外提供了可扩展的模板（设计模式中的模板模式）。如果你想自己设计一个List，可以直接继承AbstractList或者AbstractSequentialList类，实现其中的特定方法即可。

AbstractList和AbstractSequentialList

AbstractList实现了部分List接口中的方法，为想实现List接口的开发者提供了便利。

AbatractList类结构

如果开发人员想要实现一个不可修改的List，那么只需要继承该类，然后重写两个方法：get(int)和size()方法。
如果开发人员想要实现一个可修改的List，那么需要重写set()方法，如果不重写会抛出UnsupportedOperationException异常，如果size()的大小是可变的，那么开发人员还需要重写add(int, E)和 remove(int)方法。

AbstractList实现了两种默认迭代器：

private class Itr implements Iterator
private class ListItr extends Itr implements ListIterator

也就是说，子类可以不用实现iterator()和listIterator()方法。

该类只有一个成员变量：该List在结构上已经被修改的次数。

protected transient int modCount = 0;

Iterator迭代器和ListIterator迭代器会使用到该变量，如果迭代器的expectModCount与该变量的值不同，那就会抛出ConcurrentModificationException异常，在官方文档中称其为fail-fast。

AbstractList实现了两种子列表：

private static class SubList extends AbstractList
private static class RandomAccessSubList
extends SubList implements RandomAccess

SubList中的方法调用其实还是调用的父类方法，即AbstractList。这里主要说一下RandomAccess类，它是一个空接口，用来标记是否可以随机访问。能随机访问代表在查找的时候可以用效率更高的算法（相较于顺序访问，典型例子Arraylist）。

AbstractSequentialList继承自AbstractList，是对顺序访问列表的一种扩展。它的iterator()方法直接返回的是listIterator()。

    /**
     * Returns an iterator over the elements in this list (in proper
     * sequence).<p>
     *
     * This implementation merely returns a list iterator over the list.
     *
     * @return an iterator over the elements in this list (in proper sequence)
     */
    public Iterator<E> iterator() {
        return listIterator();
    }

ArrayList分析

ArrayList

ArrayList实现了Serializable接口，因此它支持序列化，能够通过序列化传输；实现了RandomAccess接口，支持快速随机访问，实际上就是通过下标序号进行快速访问；实现了Cloneable接口，能被克隆（浅拷贝）。

关键点

1、ArrayList是基于数组实现的，是动态数组，动态增长内容容量，每次扩展为原来的1.5倍，默认容量大小10。

    /**
     * Default initial capacity.
     */
    private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
    
    /**
     * The array buffer into which the elements of the ArrayList are stored.
     * The capacity of the ArrayList is the length of this array buffer. Any
     * empty ArrayList with elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA
     * will be expanded to DEFAULT_CAPACITY when the first element is added.
     */
    transient Object[] elementData; // non-private to simplify nested class access
    
    /**
     * Returns a capacity at least as large as the given minimum capacity.
     * Returns the current capacity increased by 50% if that suffices.
     * Will not return a capacity greater than MAX_ARRAY_SIZE unless
     * the given minimum capacity is greater than MAX_ARRAY_SIZE.
     *
     * @param minCapacity the desired minimum capacity
     * @throws OutOfMemoryError if minCapacity is less than zero
     */
    private int newCapacity(int minCapacity) {
        // overflow-conscious code
        int oldCapacity = elementData.length;
        int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1); // 这里就是扩展1.5倍
        if (newCapacity - minCapacity <= 0) {
            if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA)
                return Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
            if (minCapacity < 0) // overflow
                throw new OutOfMemoryError();
            return minCapacity;
        }
        return (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE <= 0)
            ? newCapacity
            : hugeCapacity(minCapacity);
    }

2、ArrayList不是线程安全的，多线程环境下可以考虑用Collections.synchronizedList(List l)函数返回一个线程安全的ArrayList，也可以用CopyOnWriteArrayList类。

3、ArrayList的实现中大量地调用了Arrays.copyof()和System.arraycopy()方法，当容量不够时，每次增加元素，都要将原来的元素拷贝到一个新的数组中，非常之耗时，也因此建议在事先能确定元素数量的情况下，才使用ArrayList，否则建议使用LinkedList。

grow方法

add方法

特点

ArrayList中允许元素为null。
ArrayList查找效率高，但每次插入或删除元素，就要大量地移动元素，插入删除元素的效率低。

LinkedList分析

LinkedList比ArrayList多实现了一个Deque接口，即：双端队列。LinkedList实现了Serializable接口，因此它支持序列化，能够通过序列化传输，实现了Cloneable接口，能被克隆（浅拷贝）；

关键点

1、LinkedList是基于双向链表（已经不再是双向循环列表）实现的；除了可以当做链表来操作外，它还可以当做栈、队列和双端队列来使用。

    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;
        }
    }
    
    /**
     * Pointer to first node.
     */
    transient Node<E> first;

    /**
     * Pointer to last node.
     */
    transient Node<E> last;

2、LinkedList同样是非线程安全的。

特点

LinkedList中允许元素为null。
不存在容量不足的问题，所以这里没有扩容的方法。
插入删除效率高，查找效率低。

总结

多线程环境下使用ArrayList和LinkedList时注意线程同步。
根据数据特点和使用环境进行选择。