【Java】集合 之 使用List

在集合类中，List是最基础的一种集合：它是一种有序列表。

List的行为和数组几乎完全相同：List内部按照放入元素的先后顺序存放，每个元素都可以通过索引确定自己的位置，List的索引和数组一样，从0开始。

数组和List类似，也是有序结构，如果我们使用数组，在添加和删除元素的时候，会非常不方便。例如，从一个已有的数组{‘A’, ‘B’, ‘C’, ‘D’, ‘E’}中删除索引为2的元素：

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│ A │ B │ C │ D │ E │   │
└───┴───┴───┴───┴───┴───┘
              │   │
          ┌───┘   │
          │   ┌───┘
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│ A │ B │ D │ E │   │   │
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这个“删除”操作实际上是把’C’后面的元素依次往前挪一个位置，而“添加”操作实际上是把指定位置以后的元素都依次向后挪一个位置，腾出来的位置给新加的元素。这两种操作，用数组实现非常麻烦。

因此，在实际应用中，需要增删元素的有序列表，我们使用最多的是ArrayList。实际上，ArrayList在内部使用了数组来存储所有元素。例如，一个ArrayList拥有5个元素，实际数组大小为6（即有一个空位）：

size=5
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│ A │ B │ C │ D │ E │   │
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当添加一个元素并指定索引到ArrayList时，ArrayList自动移动需要移动的元素：

size=5
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│ A │ B │   │ C │ D │ E │
└───┴───┴───┴───┴───┴───┘
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然后，往内部指定索引的数组位置添加一个元素，然后把size加1：

size=6
┌───┬───┬───┬───┬───┬───┐
│ A │ B │ F │ C │ D │ E │
└───┴───┴───┴───┴───┴───┘
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继续添加元素，但是数组已满，没有空闲位置的时候，ArrayList先创建一个更大的新数组，然后把旧数组的所有元素复制到新数组，紧接着用新数组取代旧数组：

size=6
┌───┬───┬───┬───┬───┬───┬───┬───┬───┬───┬───┬───┐
│ A │ B │ F │ C │ D │ E │   │   │   │   │   │   │
└───┴───┴───┴───┴───┴───┴───┴───┴───┴───┴───┴───┘
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现在，新数组就有了空位，可以继续添加一个元素到数组末尾，同时size加1：

size=7
┌───┬───┬───┬───┬───┬───┬───┬───┬───┬───┬───┬───┐
│ A │ B │ F │ C │ D │ E │ G │   │   │   │   │   │
└───┴───┴───┴───┴───┴───┴───┴───┴───┴───┴───┴───┘
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可见，ArrayList把添加和删除的操作封装起来，让我们操作List类似于操作数组，却不用关心内部元素如何移动。

我们考察List接口，可以看到几个主要的接口方法：

• 在末尾添加一个元素：boolean add(E e)
• 在指定索引添加一个元素：boolean add(int index, E e)
• 删除指定索引的元素：E remove(int index)
• 删除某个元素：boolean remove(Object e)
• 获取指定索引的元素：E get(int index)
• 获取链表大小（包含元素的个数）：int size()

但是，实现List接口并非只能通过数组（即ArrayList的实现方式）来实现，另一种LinkedList通过“链表”也实现了List接口。在LinkedList中，它的内部每个元素都指向下一个元素：

        ┌───┬───┐   ┌───┬───┐   ┌───┬───┐   ┌───┬───┐
HEAD ──>│ A │ ●─┼──>│ B │ ●─┼──>│ C │ ●─┼──>│ D │   │
        └───┴───┘   └───┴───┘   └───┴───┘   └───┴───┘
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我们来比较一下ArrayList和LinkedList：

通常情况下，我们总是优先使用ArrayList。

List的特点

使用List时，我们要关注List接口的规范。List接口允许我们添加重复的元素，即List内部的元素可以重复：

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        List<String> list = new ArrayList<>();
        list.add("apple"); // size=1
        list.add("pear"); // size=2
        list.add("apple"); // 允许重复添加元素，size=3
        System.out.println(list.size());
    }
}
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List还允许添加null：

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        List<String> list = new ArrayList<>();
        list.add("apple"); // size=1
        list.add(null); // size=2
        list.add("pear"); // size=3
        String second = list.get(1); // null
        System.out.println(second);
    }
}
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创建List

除了使用ArrayList和LinkedList，我们还可以通过List接口提供的of()方法，根据给定元素快速创建List：

List list = List.of(1, 2, 5);
但是List.of()方法不接受null值，如果传入null，会抛出NullPointerException异常。

遍历List

和数组类型，我们要遍历一个List，完全可以用for循环根据索引配合get(int)方法遍历：

import java.util.List;
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        List<String> list = List.of("apple", "pear", "banana");
        for (int i=0; i<list.size(); i++) {
            String s = list.get(i);
            System.out.println(s);
        }
    }
}

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但这种方式并不推荐，一是代码复杂，二是因为get(int)方法只有ArrayList的实现是高效的，换成LinkedList后，索引越大，访问速度越慢。

所以我们要始终坚持使用迭代器Iterator来访问List。Iterator本身也是一个对象，但它是由List的实例调用iterator()方法的时候创建的。Iterator对象知道如何遍历一个List，并且不同的List类型，返回的Iterator对象实现也是不同的，但总是具有最高的访问效率。

Iterator对象有两个方法：boolean hasNext()判断是否有下一个元素，E next()返回下一个元素。因此，使用Iterator遍历List代码如下：

import java.util.Iterator;
import java.util.List;
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        List<String> list = List.of("apple", "pear", "banana");
        for (Iterator<String> it = list.iterator(); it.hasNext(); ) {
            String s = it.next();
            System.out.println(s);
        }
    }
}
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有童鞋可能觉得使用Iterator访问List的代码比使用索引更复杂。但是，要记住，通过Iterator遍历List永远是最高效的方式。并且，由于Iterator遍历是如此常用，所以，Java的for each循环本身就可以帮我们使用Iterator遍历。把上面的代码再改写如下：

import java.util.List;
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        List<String> list = List.of("apple", "pear", "banana");
        for (String s : list) {
            System.out.println(s);
        }
    }
}
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上述代码就是我们编写遍历List的常见代码。

实际上，只要实现了Iterable接口的集合类都可以直接用for each循环来遍历，Java编译器本身并不知道如何遍历集合对象，但它会自动把for each循环变成Iterator的调用，原因就在于Iterable接口定义了一个Iterator iterator()方法，强迫集合类必须返回一个Iterator实例。

List和Array转换

把List变为Array有三种方法，第一种是调用toArray()方法直接返回一个Object[]数组：

import java.util.List;
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        List<String> list = List.of("apple", "pear", "banana");
        Object[] array = list.toArray();
        for (Object s : array) {
            System.out.println(s);
        }
    }
}
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这种方法会丢失类型信息，所以实际应用很少。

第二种方式是给toArray(T[])传入一个类型相同的Array，List内部自动把元素复制到传入的Array中：

import java.util.List;
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        List<Integer> list = List.of(12, 34, 56);
        Integer[] array = list.toArray(new Integer[3]);
        for (Integer n : array) {
            System.out.println(n);
        }
    }
}
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注意到这个toArray(T[])方法的泛型参数并不是List接口定义的泛型参数，所以，我们实际上可以传入其他类型的数组，例如我们传入Number类型的数组，返回的仍然是Number类型：

import java.util.List;
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        List<Integer> list = List.of(12, 34, 56);
        Number[] array = list.toArray(new Number[3]);
        for (Number n : array) {
            System.out.println(n);
        }
    }
}

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但是，如果我们传入类型不匹配的数组，例如，String[]类型的数组，由于List的元素是Integer，所以无法放入String数组，这个方法会抛出ArrayStoreException。

如果我们传入的数组大小和List实际的元素个数不一致怎么办？根据List接口的文档，我们可以知道：

如果传入的数组不够大，那么List内部会创建一个新的刚好够大的数组，填充后返回；如果传入的数组比List元素还要多，那么填充完元素后，剩下的数组元素一律填充null。

实际上，最常用的是传入一个“恰好”大小的数组：

Integer[] array = list.toArray(new Integer[list.size()]);
最后一种更简洁的写法是通过List接口定义的T[] toArray(IntFunction generator)方法：

Integer[] array = list.toArray(Integer[]::new);
这种函数式写法我们会在后续讲到。

反过来，把Array变为List就简单多了，通过List.of(T…)方法最简单：

Integer[] array = { 1, 2, 3 };
List<Integer> list = List.of(array);
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对于JDK 11之前的版本，可以使用Arrays.asList(T...)方法把数组转换成List。

要注意的是，返回的List不一定就是ArrayList或者LinkedList，因为List只是一个接口，如果我们调用List.of()，它返回的是一个只读List：

import java.util.List;
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        List<Integer> list = List.of(12, 34, 56);
        list.add(999); // UnsupportedOperationException
    }
}

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对只读List调用add()、remove()方法会抛出UnsupportedOperationException。

练习

给定一组连续的整数，例如：10，11，12，……，20，但其中缺失一个数字，试找出缺失的数字：

import java.util.*;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        // 构造从start到end的序列：
        final int start = 10;
        final int end = 20;
        List<Integer> list = new ArrayList<>();
        for (int i = start; i <= end; i++) {
            list.add(i);
        }
        // 随机删除List中的一个元素:
        int removed = list.remove((int) (Math.random() * list.size()));
        int found = findMissingNumber(start, end, list);
        System.out.println(list.toString());
        System.out.println("missing number: " + found);
        System.out.println(removed == found ? "测试成功" : "测试失败");
    }
    static int findMissingNumber(int start, int end, List<Integer> list) {
        return 0;
    }

}
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增强版：和上述题目一样，但整数不再有序，试找出缺失的数字：

import java.util.*;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        // 构造从start到end的序列：
        final int start = 10;
        final int end = 20;
        List<Integer> list = new ArrayList<>();
        for (int i = start; i <= end; i++) {
            list.add(i);
        }
        // 洗牌算法shuffle可以随机交换List中的元素位置:
        Collections.shuffle(list);
        // 随机删除List中的一个元素:
        int removed = list.remove((int) (Math.random() * list.size()));
        int found = findMissingNumber(start, end, list);
        System.out.println(list.toString());
        System.out.println("missing number: " + found);
        System.out.println(removed == found ? "测试成功" : "测试失败");
    }
    static int findMissingNumber(int start, int end, List<Integer> list) {
        return 0;
    }

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小结

List是按索引顺序访问的长度可变的有序表，优先使用ArrayList而不是LinkedList；

可以直接使用for each遍历List；

List可以和Array相互转换。