Java集合之ArrayList与LinkedList

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

/**
序列化ID
**/
private static final long serialVersionUID = 8683452581122892189L;
/**
默认容量
**/
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
/**
如果传入的容量为0，那么将使用这个空元素数组
**/
private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};
/**
默认空元素数组，长度为0，传入元素时会初始化为默认元素大小
**/
private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};
/**
真正存储数据的数组
**/
transient Object[] elementData;
/**
列表中元素的个数
**/
private int size;
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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

/**
指定数组长度构造
**/
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);
    }
}
/**
空参构造
**/
public ArrayList() {
    this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
}
/**
传入一个集合，将该集合的元素初始化到ArrayList种
**/
public ArrayList(Collection 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;
    }
}
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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);
    }
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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 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 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;
}
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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);
}
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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;
}
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小结

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 item;
    Node next;
    Node prev;

    Node(Node prev, E element, Node next) {
        this.item = element;
        this.next = next;
        this.prev = prev;
    }
}
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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

/**
元素个数
 */
transient int size = 0;
/**
指向链表头结点
 */
transient Node first;
/**
指向链表尾节点
 */
transient Node last;
/**
序列化ID
 */
private static final long serialVersionUID = 876323262645176354L;
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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 c) {
    //调用空参构造
    this();
    //调用addAll()这个方法在下面讲述
    addAll(c);
}
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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 f = first;
    //new一个Node节点，值为e，next为头指针，pre为null
    final Node 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 l = last;
    //new一个Node节点，值为e，next为null，pre为尾指针
    final Node 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 c) {
    //从尾部开始添加
    return addAll(size, c);
}
//真正的addAll方法
public boolean addAll(int index, Collection 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 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 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;
}
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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 node(int index) {
    //判断该索引位于前半段还是后半段
    if (index < (size >> 1)) {
        Node 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 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 f = first;
    if (f == null)
        throw new NoSuchElementException();
    return f.item;
}
//获取尾部元素
public E getLast() {
    final Node l = last;
    if (l == null)
        throw new NoSuchElementException();
    return l.item;
}
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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 f) {
    //拿到头节点的值
    final E element = f.item;
    //拿到头结点的next值
    final Node 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 l) {
    //拿到尾节点的值
    final E element = l.item;
    //拿到尾节点的前驱
    final Node 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;
}
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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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