一、容器之List集合
List集合体系应该是日常开发中最常用的API，而且通常是作为面试压轴问题（JVM、集合、并发），集合这块代码的整体设计也是融合很多编程思想，对于程序员来说具有很高的参考和借鉴价值。
基本要点
- 基础：元素增查删、容器信息；
- 进阶：存储结构、容量管理；
API体系
- ArrayList：维护数组实现，查询快；
- Vector：维护数组实现，线程安全；
- LinkedList：维护链表实现，增删快；
核心特性包括：初始化与加载，元素管理，自动扩容，数组和链表两种数据结构。Vector底层基于ArrayList实现的线程安全操作，而ArrayList与LinkedList属于非线程安全操作，自然效率相比Vector会高，这个是通过源码阅读可以发现的特点。
二、ArrayList详解
1、数组特点
ArrayList就是集合体系中List接口的具体实现类，底层维护Object数组来进行装载和管理数据：
private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};
提到数组结构，潜意识的就是基于元素对应的索引查询，所以速度快，如果删除元素，可能会导致大量元素移动，所以相对于LinkedList效率较低。
数组存储的机制：
数组属于是紧凑连续型存储，通过下标索引可以随机访问并快速找到对应元素，因为有预先开辟内存空间的机制，所以相对节约存储空间，如果数组一旦需要扩容，则重新开辟一块更大的内存空间，再把数据全部复制过去，效率会非常的低下。
2、构造方法
这里主要看两个构造方法：
无参构造器：初始化ArrayList，声明一个空数组。
public ArrayList() {
this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
}
有参构造器：传入容量参数大于0，则设置数组的长度。
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);
}
}
如果没通过构造方法指定数组长度，则采用默认数组长度，在添加元素的操作中会设置数组容量。
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
3、装载数据
通过上面的分析，可以知道数组是有容量限制的，但是ArrayList却可以一直装载元素，当然也是有边界值的，只是通常不会装载那么多元素：
private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;
超过这个限制会抛出内存溢出的错误。
装载元素：会判断容量是否足够；
public boolean add(E e) {
ensureCapacityInternal(size + 1);
elementData[size++] = e;
return true;
}
当容量不够时，会进行扩容操作，这里贴量化关键源码：
private void grow(int minCapacity) {
int oldCapacity = elementData.length;
int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
}
机制：计算新容量(newCapacity=15)，拷贝一个新数组，设置容量为newCapacity。
指定位置添加：这个方法很少使用到，同样看两行关键代码；
public void add(int index, E element) {
ensureCapacityInternal(size + 1);
System.arraycopy(elementData, index,elementData,index+1,size-index);
elementData[index] = element;
size++;
}
机制：判断数组容量，然后就是很直接的一个数组拷贝操作，简单来个图解：
如上图，假设在index=1位置放入元素E，按照如下过程运行：
- 获取数组index到结束位置的长度；
- 拷贝到index+1的位置；
- 原来index位置，放入element元素；
这个过程就好比排队，如果在首位插入一位，即后面的全部后退一位，效率自然低下，当然这里也并不是绝对的，如果移动的数组长度够小，或者一直在末尾添加，效率的影响自然就降低很多。
4、移除数据
上面看的数据装载，那与之相反的逻辑再看一下，依旧看几行关键源码：
public E remove(int index) {
E oldValue = elementData(index);
int numMoved = size - index - 1;
if (numMoved > 0) {
System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index, numMoved);
}
elementData[--size] = null;
return oldValue;
}
机制：从逻辑上看，与添加元素的机制差不多，即把添加位置之后的元素拷贝到index开始的位置，这个逻辑在排队中好比前面离开一位，后面的队列整体都前进一位。
其效率问题也是一样，如果移除集合的首位元素，后面所有元素都要移动，移除元素的位置越靠后，效率影响就相对降低。
5、容量与数量
在集合的源码中，有两个关键字段需要明确一下：
- capacity：集合的容量，装载能力；
- size：容器中装载元素的个数；
通常容器大小获取的是size，即装载元素个数，不断装载元素触发扩容机制，capacity容量才会改变。
三、LinkedList详解
1、链表结构特点
链表结构存储在物理单元上非连续、非顺序，节点元素间的逻辑顺序是通过链表中的指针链接次序实现的。链表由一系列节点组成，节点可以在运行时动态生成，节点包括两个部分：一个是存储数据元素的数据域，另一个是存储下一个结点地址的指针域。
特点描述
- 物理存储上是无序且不连续的；
- 链表是由多个节点以链式结构组成；
- 逻辑层面上看形成一个有序的链路结构；
- 首节点没有指向上个节点的地址；
- 尾节点没有指向下个节点的地址；
链表结构解决数组存储需要预先知道元素个数的缺陷，可以充分利用内存空间，实现灵活的内存动态管理。
2、LinkedList结构
LinkedList底层数据存储结构正是基于链表实现，首先看下节点的描述：
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;
}
}
在LinkedList中定义静态类Node描述节点的结构：元素、前后指针。在LinkedList类中定义三个核心变量：
transient int size = 0;
transient Node<E> first;
transient Node<E> last;
即大小，首位节点，关于这个三个变量的描述在源码的注释上已经写的非常清楚了：
首节点上个节点为null，尾节点下个节点为null，并且item不为null。
3、元素管理
LinkedList一大特点即元素增加和删除的效率高，根据链表的结构特点来看源码。
添加元素
通过源码可以看到，添加元素时实际调用的是该方法，把新添加的元素放在原链表最后一位：
void linkLast(E e) {
final Node<E> l = last;
final Node<E> newNode = new Node<>(l, e, null);
last = newNode;
if (l == null)
first = newNode;
else
l.next = newNode;
size++;
modCount++;
}
结合Node类的构造方法，实际的操作如下图：
核心的逻辑即：新的尾节点和旧的尾节点构建指针关系，并处理首位节点变量。
删除元素
删除元素可以根据元素对象或者元素index删除，最后核心都是执行unlink方法：
E unlink(Node<E> x) {
final E element = x.item;
final Node<E> next = x.next;
final Node<E> prev = x.prev;
if (prev == null) {
first = next;
} else {
prev.next = next;
x.prev = null;
}
if (next == null) {
last = prev;
} else {
next.prev = prev;
x.next = null;
}
x.item = null;
size--;
modCount++;
return element;
}
与添加元素核心逻辑相似，也是一个重新构建节点指针的过程：
- 两个if判断是否删除的是首位节点；
- 删除节点的上个节点的next指向删除节点的next节点；
- 删除节点的下个节点的prev指向删除节点的prev节点；
通过增删方法的源码分析，可以看到LinkedList对元素的增删并不会涉及大规模的元素移动，影响的节点非常少，效率自然相对ArrayList高很多。
4、查询方法
基于链表结构存储而非数组，对元素查询的效率会有很大影响，先看源码：
public E get(int index) {
checkElementIndex(index);
return node(index).item;
}
Node<E> node(int index) {
if (index < (size >> 1)) {
Node<E> x = first;
for (int i = 0; i < index; i++)
x = x.next;
return x;
} else {
Node<E> x = last;
for (int i = size - 1; i > index; i--)
x = x.prev;
return x;
}
}
这段源码结合LinkedList结构看，真的是极具策略性：
- 首先是对index的合法性校验；
- 然后判断index在链表的上半段还是下半段；
- 如果在链表上半段：从first节点顺序遍历；
- 如果在链表下半段：从last节点倒序遍历；
通过上面的源码可以看到，查询LinkedList中靠中间位置的元素，需要执行的遍历的次数越多，效率也就越低，所以LinkedList相对更适合查询首位元素。
四、源代码地址
GitHub·地址
https://github.com/cicadasmile/java-base-parent
GitEE·地址
https://gitee.com/cicadasmile/java-base-parent
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