Array List和Linked List實現分析
一,前言
先來一張Collection集合圖。
今天分享一些關於Collection集合中的List,講真的集合這東西在網上真是老生常談了。說實話連本人都覺得膩了(哈哈),但是話又說回來,整個集合體系對於我們實際開發來說是非常重要的,所以還是有必要系統總結下。
不過在此之前先說說兩種資料結構,連結串列和紅黑樹。
1.1,連結串列
連結串列:linked list,由一系列結點node(連結串列中每一個元素稱為結點)組成,結點可以在執行時動態生成。每個結點包括兩個部分:一個是儲存資料元素的資料域,另一個是儲存下一個結點地址的指標域。我們常說的連結串列結構有單向連結串列與雙向連結串列,那麼這裡給大家介紹的是單向連結串列。
簡單的說,採用該結構的集合,對元素的存取有如下的特點:
- 多個結點之間,通過地址進行連線。例如,多個人手拉手,每個人使用自己的右手拉住下個人的左手,依次類推,這樣多個人就連在一起了。
查詢元素慢:想查詢某個元素,需要通過連線的節點,依次向後查詢指定元素。
增刪元素快:
增加元素:只需要修改連線下個元素的地址即可。
刪除元素:只需要修改連線下個元素的地址即可。
1.2,紅黑樹
紅黑樹是一種自平衡二叉查詢樹,是電腦科學領域中的一種資料結構,典型的用途是實現關聯陣列,儲存有序的資料。
紅黑樹本身就是一顆二叉查詢樹,將節點插入後,該樹仍然是一顆二叉查詢樹。也就意味著,樹的鍵值仍然是有序的。
紅黑樹的約束:
- 節點可以是紅色的或者黑色的。
- 根節點是黑色的。
- 葉子節點(特指空節點)是黑色的。
- 每個紅色節點的子節點都是黑色的。
- 任何一個節點到其每一個葉子節點的所有路徑上黑色節點數相同。
紅黑樹的特點:
速度特別快,趨近平衡樹,查詢葉子元素最少和最多次數不多於二倍。
二,List介面
2.1,簡介
java.util.List
介面繼承自Collection
介面,是單列集合的一個重要分支,習慣性地會將實現了List
介面的物件稱為List集合。在List集合中允許出現重複的元素,所有的元素是以一種線性方式進行儲存的,在程式中可以通過索引來訪問集合中的指定元素。另外,List集合還有一個特點就是元素有序,即元素的存入順序和取出順序一致。
那麼List介面有什麼特點。
- 它是一個元素存取有序的集合。例如,存元素的順序是1、2、3。那麼集合中,元素的儲存就是按照1、2、3的順序完成的)。
- 它是一個帶有索引的集合,通過索引就可以精確的操作集合中的元素(與陣列的索引是一個道理)。
- 集合中可以有重複的元素,通過元素的equals方法,來比較是否為重複的元素。
2.2,常用方法
List介面繼承Collection介面,因此在父類介面中的方法,List子介面全部都有,並且還增加通過索引的方式操作資料。
public void add(int index, E element)
: 將指定的元素,新增到該集合中的指定位置上。public E get(int index)
:返回集合中指定位置的元素。public E remove(int index)
: 移除列表中指定位置的元素, 返回的是被移除的元素。public E set(int index, E element)
:用指定元素替換集合中指定位置的元素,返回值的更新前的元素。
public class ListDemo {
public static void main(String[] args) {
// 建立List集合物件
List<String> list = new ArrayList<>();
// 往尾部新增 指定元素
list.add("ABC");
list.add("張三");
list.add("李四");
System.out.println(list);
// add(int index,String s) 往指定位置新增
list.add(1,"DEF");
System.out.println(list);
// String remove(int index) 刪除指定位置元素 返回被刪除元素
// 刪除索引位置為2的元素
System.out.println("刪除索引位置為2的元素");
System.out.println(list.remove(2));
System.out.println(list);
// String set(int index,String s)
// 在指定位置進行元素替代(改)
// 修改指定位置元素
list.set(0, "三毛");
System.out.println(list);
// String get(int index) 獲取指定位置元素
// 跟size() 方法一起用來遍歷的
for(int i = 0;i<list.size();i++){
System.out.println(list.get(i));
}
//還可以使用增強for
for (String string : list) {
System.out.println(string);
}
}
}
三,Array List(JDK8)
Array List底層是基於動態陣列實現的,何以動態。在於它是一個可變的陣列,根據實際情況它的容量可自動擴充,類似於在C語言中動態申請記憶體的原理。(題外話:記得有一次面試,面試官問我arraylist是怎麼實現的,我說是一個動態陣列。然後把他嚇一跳,說一句讓我想清楚再說。我還以為說錯了,接著沉澱5秒鐘,就是一個可自動擴容的動態陣列)。
其特點是增刪慢,查詢快。因為是基於陣列實現那麼就會存在索引,增刪就是對資料的更新,導致索引也會發生相應變化。但是存在索引值,所以對於查詢資料來說就很快了。如圖:
3.1,陣列實現
為什麼說底層是一個數組,請看原始碼:
ArrayList在初始化時預設的陣列容量為10,原始碼如下:
3.2,構造方法
1,定義無參構造方法,初始化預設為10的空列表。
2,有參構造,並且自定義初始化容量的大小。
3,將資料型別轉換為陣列型別。
分析:
1,elementData = c.toArray();
將元素轉化成陣列。
2,判斷陣列大小是否為0,否則將預設EMPTY_ELEMENTDATA
賦值給陣列。
3,接著裡面的if判斷,判斷elementData是否成功轉換為陣列,如果成功則呼叫Arrays.copyOf方法將元素值,陣列大小,及陣列類複製值到elementData陣列中。
完成以上初始化步驟之後,接著我們可以呼叫add方法完成資料新增。
3.3,add方法
先介紹沒有指定索引的資料新增,請看add原始碼:
分析:
1,ensureCapacityInternal(size + 1);
這個方法是判斷在新增資料之前,陣列的容量是否夠用。這裡就看下原始碼的實現吧。
判斷是否要擴容。
說明:
- 首先
size
預設為0,然後size+1
將引數傳過來。 - 判斷
if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA)
是不是第一次新增元素,如果是,則選取預設的容量大小10,正式將陣列容量初始化為10. - 接著呼叫
ensureExplicitCapacity(minCapacity);
這裡是判斷是否需要進行擴容。這裡我們假設不需要擴容,接著說完add方法最後一步。
2,elementData[size++] = e;
最後執行這一步,將元素e新增到elementData
陣列中,並且大小加1,並完成元素新增。
3.4,擴容機制
上面我們說到在陣列不擴容情況下元素是如何進行新增的,再來說說如何進行擴容。接著上面ensureExplicitCapacity(int minCapacity)
這個方法,判斷如果超出預設容量大小時,便呼叫grow(minCapacity);
方法開始進行擴容。
在這裡先指出擴容的機制其實就是陣列的複製,建立一個新的陣列,將小容量陣列的元素複製到容量較大的陣列中,以此完成陣列的擴容。
接著我們看原始碼的實現:
分析:
1,獲取舊陣列的大小。
2,將大小擴大1.5倍。
3,新容量小於引數指定容量,修改新容量。
4,新容量大於最大容量,並指定新容量。
5,呼叫copyOf進行復制。
完成擴容。
四,執行緒不安全
Array List是執行緒不安全的,這點很重要,也是面試最常問的問題。那為什麼是不安全的呢,下面簡單總結以下。
情況一:
假設現在有A,B兩個執行緒同時執行add方法,而現在size = 9,於是:
1,A經過以上步驟發現初始化容量為10,不需要進行陣列擴容。
2,同時B也在執行add方法,它判斷陣列初始化容量也是10(size的值還是9),於是不進行陣列擴容。接著A便執行add方法,元素新增成功後,size = 10;此時B開始執行add方法,但這個時候陣列元素已經新增滿了,B再新增就會造成陣列下標越界異常。
情況二:
elementData[size++] = e;
這一步也有可能出現問題。
列表大小為0,即size=0。
執行緒A開始新增一個元素,值為A。此時它執行第一條操作,將A放在了elementData下標為0的位置上。
接著執行緒B剛好也要開始新增一個值為B的元素,且走到了第一步操作。此時執行緒B獲取到size的值依然為0,於是它將B也放在了elementData下標為0的位置上。
而最終size大小為:
- 執行緒A開始將size的值增加為1
- 執行緒B開始將size的值增加為2
針對這種情況,可以使用以下方式解決:
List<String> list1 = Collections.synchronizedList(new ArrayList<String>());
五,Linked List
linked list資料儲存的結構是雙向連結串列結構。方便元素新增、刪除的集合,但是查詢較慢。
LinkedList中常用方法:
public void addFirst(E e)
:將指定元素插入此列表的開頭。public void addLast(E e)
:將指定元素新增到此列表的結尾。public E getFirst()
:返回此列表的第一個元素。public E getLast()
:返回此列表的最後一個元素。public E removeFirst()
:移除並返回此列表的第一個元素。public E removeLast()
:移除並返回此列表的最後一個元素。public E pop()
:從此列表所表示的堆疊處彈出一個元素。public void push(E e)
:將元素推入此列表所表示的堆疊。public boolean isEmpty()
:如果列表不包含元素,則返回true。
public class LinkedListDemo {
public static void main(String[] args) {
LinkedList<String> link = new LinkedList<String>();
//新增元素
link.addFirst("abc1");
link.addFirst("abc2");
link.addFirst("abc3");
System.out.println(link);
// 獲取元素
System.out.println(link.getFirst());
System.out.println(link.getLast());
// 刪除元素
System.out.println(link.removeFirst());
System.out.println(link.removeLast());
while (!link.isEmpty()) { //判斷集合是否為空
System.out.println(link.pop()); //彈出集合中的棧頂元素
}
System.out.println(link);
}
}
六,總結
1,arraylist增刪慢,查詢快,基於動態陣列。
2,linkedlist增刪快,查詢慢,基於雙向連結串列。
3,執行緒都不安全。
關於list介面中常用的兩個集合就分享到此,對於兩個集合要根據實際開發業務進行合理的選擇,並且要注意執行緒安全的問題。本來想把set介面也一起寫上,但是我覺得太長了,所以就留到下一篇部落格。
最後對於以上博文如有不適之處,歡迎留言指正。
感謝閱讀!