java数据结构-List

雨点打透心脏的1/2处 2022-09-18 14:45 157阅读 0赞

List在数据结构中表现为是线性表的方式，其元素以线性方式存储，集合中允许存放重复的对象，List接口主要的实现类有  
**ArrayList**   
ArrayList其实就是一组长度可变的数组，当实例化了一个ArrayList，该数据也被实例化了，当向集合中添加对象时，数组的大小也随着改变，这样它所带来的有优点是快速的随机访问，即使访问每个元素所带来的性能问题也是很小的，但缺点就是想其中添加或删除对象速度慢，当你创建的数组是不确定其容量，所以当我们改变这个数组时就必须在内存中做很多的处理，如你想要数组中任意两个元素中间添加对象，那么在内存中数组要移动所有后面的对象。  
  
**LinkedList**  
LinkedList是通过节点的连接实现链表的数据结构，向linkedList中插入或删除元素的速度是特别快，而随机访问的速度相对较慢，这个是由于链表本身的性质造成的，在链表中，每个节点都包含了前一个节点的引用，后一个节点的引用和节点存储值，当一个新节点插入式，只需要修改其中相关的前后关系节点引用即可，删除节点也是一样。操作对象只需要改变节点的链接，新节点可以存放在内存的任何位置，但也就是因为如此LinkedList虽然存在get()方法，但是这个方法通过遍历节点来定位所以速度很慢。LinkedList还单独具addFrist(),addLast(),getFrist(),getLast(),removeFirst(),removeLast()方法，这些方法使得LinkedList可以作为堆栈，队列，和双队列来使用。  
  
说白了，ArrayList和LinkedList就是数据结构中的顺序存储表和链式存储表。  
  
**ArrayList构造原理**  
上面已经清楚ArrayList和LinkedList就是数据结构的顺序表和链表(不清楚的翻翻数据结构的书)，下面简单分析一下它们的实现方式。  
下表是摘自sum提供的ArrayList的api文档  
  
ArrayList()  
          构造一个初始容量为 10 的空列表。  
ArrayList(Collection<? extends E> c)  
          构造一个包含指定 collection 的元素的列表，这些元素是按照该 collection 的迭代器返回它们的顺序排列的。  
ArrayList(int initialCapacity)  
          构造一个具有指定初始容量的空列表。  
  
第一个构造函数是没有默认构建了一个初始容量10的空列表，第二个构造函数是制定collection元素的列表，第三个构造函数是由用户指定构造的列表初始化容量多少，如果使用第一个构造函数则表示默认调用该参数为initialCapacity=10来构造一个列表对象。  
  
ArrayList源码稍微进行分析

public class ArrayList<E> extends AbstractList<E>
             implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable
     {
         private static final long serialVersionUID = 8683452581122892189L;
    
         private transient Object[] elementData;
    
         private int size;
    
         public ArrayList(int initialCapacity) {
         super();
             if (initialCapacity < 0)
                 throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+
                                                    initialCapacity);
         this.elementData = new Object[initialCapacity];
         }
    
         public ArrayList() {
         this(10);
         }
    
         public ArrayList(Collection<? extends E> c) {
         elementData = c.toArray();
         size = elementData.length;
         // c.toArray might (incorrectly) not return Object[] (see 6260652)
        if (elementData.getClass() != Object[].class)
             elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class);
         }
    
         public int size() {
         return size;
         }
    
     }

可以发现ArrayList中包含两个主要的属性  
  
    private transient Object\[\] elementData;  
  
    private int size;  
  
其中elementData\[\]是列表的实现的核心数组，我们使用该数组来存放集合中的数据，而我们的构造函数所传递的initialCapacity参数是构建该数组的长度。  
在看看size的实现形式，它的作用是返回size的属性值的大小，我们再看看另外一个构造函数public ArrayList(Collection<? extends E> c)，该构造函数的作用是把另外一个容器对象中的元素放入当点的List对象中。首先是通过调用另外一个容器对象c的size()来设置当前List对象的size属性的长度大小。接下来就似乎对elementData\[\]数组进行初始化，最后通过Arrays.copyOf(U\[\] original, int newLength, Class<? extends T\[\]> newType)方法把当前容器中的对象都存放进新的数组elementData，主要就完成了一个列表的创建。  
  
**ArrayList容量扩充**  
还有一个问题就是我们所建立的ArrayList是使用数组来实现的，但数组的长度一旦被初始化就不能改变，而我们在给此列表对象添加元素时却没有受到长度的限制，所以，ArrayList的elementData属性一定是存在一个动态扩充容量的机制，下面把相关的部分源码贴出来再做研究

public boolean add(E e) {
         ensureCapacity(size + 1);  // Increments modCount!!
        elementData[size++] = e;
         return true;
         }
    
         protected transient int modCount = 0;    
    
         /**
          * Increases the capacity of this <tt>ArrayList</tt> instance, if
          * necessary, to ensure that it can hold at least the number of elements
          * specified by the minimum capacity argument.
          *
          * @param   minCapacity   the desired minimum capacity
          */
         public void ensureCapacity(int minCapacity) {
         modCount++;
         int oldCapacity = elementData.length;
         if (minCapacity > oldCapacity) {
             Object oldData[] = elementData;
             int newCapacity = (oldCapacity * 3)/2 + 1;
                 if (newCapacity < minCapacity)
             newCapacity = minCapacity;
                 // minCapacity is usually close to size, so this is a win:
                elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
         }
         }

看看public boolean add(E e)方法，可以发现在添加一个元素到容器中的时候，我们会先通过ensureCapacity(size + 1)判断该数组是否需要扩充。  
public void ensureCapacity(int minCapacity)这个方法是用来判断当前的数组是否需要扩充，并且该扩充多少。modCount++; 表示当前的对象对elementData数组进行了多少次扩充，清空和移除等操作，相当于是一个对当前List对象的一个操作记录数。  
int oldCapacity = elementData.length; 初始化oldCapacity，表示为当前elementData数组的长度。  
if (minCapacity > oldCapacity) 判断minCapacity和oldCapacity谁大，来决定是否需要扩充。  
int newCapacity = (oldCapacity \* 3)/2 + 1; 扩充的策列是判断(oldCapacity \* 3)/2 + 1和minCapacity两者之间谁更大，取更大的数作为扩充后数组的initialCapacity值，然后使用数组拷贝的方式，把以前的数据转移到新的数组对象中  
如果minCapacity 小于 oldCapacity 就不需要再扩充。

**ArrayList删除元素**

public E remove(int index) {
         RangeCheck(index);
    
         modCount++;
         E oldValue = (E) elementData[index];
    
         int numMoved = size - index - 1;
         if (numMoved > 0)
             System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,
                      numMoved);
         elementData[--size] = null; // Let gc do its work
    
         return oldValue;
         }
    
         private void RangeCheck(int index) {
         if (index >= size)
             throw new IndexOutOfBoundsException(
             "Index: "+index+", Size: "+size);
         }

在看看ArrayList移除元素是怎么实现的，首先判断需要删除的index是否在elementData数组的下标内，如不存在则抛出IndexOutOfBoundsException。  
modCount++; 与扩充元素一个，删除元素也记下来操作数。  
E oldValue = (E) elementData\[index\]; 获取需要删除元素的对象。  
int numMoved = size - index - 1; 获取需要被删除元素的下标，删除该元素后，数组需要在此元素下标后的所有对象进行内存的移动。  
System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,numMoved);对numMoved后面的所有对象通过copy的方式进行内存的移动重新构建数组。  
  
说完ArrayList的实现，再说说linkedList  
  
**构建双链表(LinkedList)**  
LinkedList是类似于C语言的双链表，双链表比单链表多了一个域，这个双链表就有了三个域，一个域来用存储数据元素，一个用来指向后续节点，另一个是指向结点的直接前驱节点。

public class LinkedList<E>
         extends AbstractSequentialList<E>
         implements List<E>, Deque<E>, Cloneable, java.io.Serializable
     {
         private transient Entry<E> header = new Entry<E>(null, null, null);
         private transient int size = 0;
    
         public LinkedList() {
             header.next = header.previous = header;
         }
    
         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;
         }
         }
    
     }

在Entry类中，定义了三个属性，分别为E element 表示数据与，Entry<E> next为后续指针域，Entry<E> previous为前驱指针域。  
在LinkedList中定义了一个重要的属性header，头结点，不会纳入链表的总元素,该节点的previous是指向最后节点，next是指向第一节点。  
构造函数LinkedList() 构造一个空列表。将header的前驱指针域和后续指针域都指向了自己,看到这里可以发现，next和previous就是一个引用，其实也相等于C里面的指针，不过C不会处理空指针，直接放操作系统处理了，java就直接抛出NullPointerException，根本不让它破坏系统的机会。  
  
**LinkedList元素变动**  
上面说到了LinkedList的新增和删除的效率比ArrayList的高，实际上在 链表操作这些方法时，只需要改变2个节点各自的前驱指针和后续指针域，而ArrayList是需要移动很多的元素。

public boolean add(E e) {
         addBefore(e, header);
             return true;
         }
    
         private Entry<E> addBefore(E e, Entry<E> entry) {
         Entry<E> newEntry = new Entry<E>(e, entry, entry.previous);
         newEntry.previous.next = newEntry;
         newEntry.next.previous = newEntry;
         size++;
         modCount++;
         return newEntry;
         }
    
         private E remove(Entry<E> e) {
         if (e == header)
             throw new NoSuchElementException();
    
             E result = e.element;
         e.previous.next = e.next;
         e.next.previous = e.previous;
             e.next = e.previous = null;
             e.element = null;
         size--;
         modCount++;
             return result;
         }

相比ArrayList的add()方法，LinkedList实现起来非常简单，主要是两行代码：  
newEntry.previous.next = newEntry;将上一节点的后续节点指向新增的节点  
newEntry.next.previous = newEntry;头节点的前驱节点指向新增节点，size和modCount自增记录。  
  
同样remove的实现也非常简单  
e.previous.next = e.next;该节点的后一节点的后去节点指向该节点的后驱节点，  
e.next.previous = e.previous;该节点的后一节点的前驱节点指向该节点的前驱节点。  
e.next = e.previous = null;把该节点的前驱节点和后驱节点全部指向null。  
e.element = null;把该节点的数据域设置为null。  
  
**随机访问**  
相比顺序表，链表的随机访问效率要低得多(理论说法，不是绝对)，ArrayList可以根据索引号进行随机访问，而LinkedList则不要遍历访问。

public E get(int index) {
             return entry(index).element;
         }
    
         private Entry<E> entry(int index) {
             if (index < 0 || index >= size)
                 throw new IndexOutOfBoundsException("Index: "+index+
                                                     ", Size: "+size);
             Entry<E> e = header;
             if (index < (size >> 1)) {
                 for (int i = 0; i <= index; i++)
                     e = e.next;
             } else {
                 for (int i = size; i > index; i--)
                     e = e.previous;
             }
             return e;
         }

上列的代码是对一个链表的遍历，其中包含了一个算法，如果给的索引号小于总节点数的一半，则在链表的前半部分第一个节点完进行遍历，如果给的索引号大于总节点数的一半，则从最后一个节点往前进行遍历直到索引号。  
  
最后 **总结**一下ArrayList和LinkedList的各自特点  
1.ArrayList是基于线性表的顺序存储表，LinkedList是基本线性表的链表存储表。  
2.对于新增和删除元素，LinkedList比较占有优势，只需要变前后2个节点，而ArrayList要移动数据。  
3.对于随机访问来说，ArrayList比较占有优势，可以根据索引号快速访问，而LinkedList则需要遍历集合的元素来定位。  
4.而对于迭代操作(iterate)和查找操作(indexOf)，两者是差不多。  
不过上面都是基于理论，具体问题还是要根据事实进行分析，如ArrayList删除的元素刚好是队列的最后一个元素，那么是无需要移动数据的，大体我们可以认为需要随机访问较多的那么比较适合用ArrayList，如果是插入和删除(如消息队列)较多的那么就需要考虑LinkedList。