Java中的集合（五）继承Collection的List接口

Java中的集合（五）继承Collection的List接口

 一、List接口简介

List是有序的Collection的，此接口能够精确的控制每个元素插入的位置。用户能够根据索引（元素在List接口的中位置）访问List中的元素，类似于Java中的数组。

List接口有如下特点：

• • 有序的集合。存储顺序和获取元素的顺序都是一致的；
  • 可重复。允许存储重复的元素；
  • 提供索引。提供一些索引的方法，供用户操作。

二、List类图结构

 通过上面类图可用看出，List接口下有4个实现类，分别为：LinkedList、ArrayList、Vector和Stack。

三、List接口中带索引的方法（特有）：

 需要注意的是：操作索引时，一定要注意防止索引越界异常提示。

• IndexOutOfBoundsException：索引越界异常，集合会报；
• ArrayIndexOutOfBoundsException：数组索引越界异常；
• StringIndexOutOfBoundsException：字符串索引越界异常。

四、ArrayList

（一）、简介、继承结构

ArrayList是List接口的实现类，也是最常用的集合类。底层数据结构是一个可变的动态数组，它允许任何符合规则的元素插入（包括null）。每一个ArrayList都有一个初始容量（10），该容量代表了数组的大小。随着容器中的元素不断增加，容器的大小也会随着增加。在每次向容器中增加元素的同时都会进行容量检查，当快溢出时，就会进行扩容操作。

如果我们明确所插入元素的多少，最好指定一个初始容量值，避免过多的进行扩容操作而浪费时间、效率。

1、ArrayList继承结构

 

通过结构图可以看出，ArrayList继承自AbstractList，实现了List, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable这些接口。

• • 继承AbstractList，实现了List接口：它是一个动态数组，提供了相关添加，删除，修改和遍历等功能；
  • 实现RandomAccess接口：提供随机访问的能力；RandmoAccess是Java中用来被List接口实现，为List提供快速访问功能的。在ArrayList中，可以通过元素的序号快速获取元素对象，这就是快速随机访问。
  • 实现Cloneable接口：覆盖函数clone（），可以被克隆；
  • 实现Serializable接口：支持序列化和反序列化，可以通过序列化传输数据。

2、ArrayList的特性：

• 增删慢，查询快（底层数据结构是数组）；
• 效率高，线程不安全的（非同步）；
• 擅长随机访问（实现了RandomAccess接口）；

（二）、ArrayList构造方法

（三）、ArrayList的两个重要的属性：elementData 和 size

1、elementData：Object[]的数组，保存了添加到ArrayList中的元素。

• 通过ArrayList()初始化ArrayList时，elementData的大小为默认值10，即Object[10]；
• 通过ArrayList(int initialCapacity)初始化ArrayList时，elementData的大小为指定值initialCapacity，即Object[initialCapacity]；
• ArrayList(Collection<? extends E> c)初始化ArrayList时，elementData的大小为参数集合的大小，即Object[c.length]；

2、size：动态数组的实际大小

（四）、ArrayList的遍历方式

1、Iterator迭代器遍历方式

ArrayList类中封装了Iterator接口，调用Iterator()方法获得Iterator对象，Iterator对象调用hashNext()、next()方法进行迭代遍历。

Integer value = null;
Iterator iter = list.iterator();
while (iter.hasNext()) {
    value = (Integer)iter.next();
}

2、随机访问。通过索引值遍历

由于ArrayList实现了RandomAccess接口，它支持通过索引值去随机访问元素，通过调用public E get(int index)方法遍历。

Integer value = null;
for (int i=0; i<list.size(); i++) {
    value = (Integer)list.get(i);        
}

3、for-each循环遍历

Integer value = null;
for (Integer integ : list) {
    value = integ;
}

4、三种遍历方式的性能

遍历ArrayList时，在性能方面：随机访问 , 通过索引值遍历> for-each遍历 > Iterator迭代器遍历。

（五）、使用toArray()异常

ArrayList提供了两个“toArray“方法，分别是： Object[] toArray() 和 <T> T[] toArray(T[] contents) 。

当我们调用“toArray()”方法时会抛““java.lang.ClassCastException”异常，但是调用"toArray(T[] t)"可以返回正常的T[]。

调用“toArray()”方法时会抛“java.lang.ClassCastException”异常是因为返回值类型是“Object[]”，Object是Java中最顶层的对象，且Java不支持对象向下转型，比如当Object[]转成Integer[]时，就会抛“java.lang.ClassCastException”异常。

使用另一个<T> T[] toArray(T[] contents)可以解决该异常问题。

调用 toArray(T[] contents) 返回T[]的可以通过以下几种方式实现。

// toArray(T[] contents)调用方式一
public static Integer[] vectorToArray1(ArrayList<Integer> v) {
    Integer[] newText = new Integer[v.size()];
    v.toArray(newText);
    return newText;
}

// toArray(T[] contents)调用方式二。最常用！
public static Integer[] vectorToArray2(ArrayList<Integer> v) {
    Integer[] newText = (Integer[])v.toArray(new Integer[0]);
    return newText;
}

// toArray(T[] contents)调用方式三
public static Integer[] vectorToArray3(ArrayList<Integer> v) {
    Integer[] newText = new Integer[v.size()];
    Integer[] newStrings = (Integer[])v.toArray(newText);
    return newStrings;
}

 （六）、总结

1、ArrayList是基于动态数组的集合，当使用默认构造方法ArrayList()时，则ArrayList的默认容量大小是10；

2、当ArrayList容量不足时，ArrayList会动态扩容大小：JDK 1.7前 : 新的容量 = （原始容量 * 3 / 2） + 1 , JDK 1.7后 : 新的容量 = 原始容量 + 原始容量 >> 1；

3、ArrayList的克隆复制是将全部元素克隆至新的数组中；

4、ArrayList实现了Serializable接口，当写入输出流时，先写入“容量”，再依次写入“每一个节点的值”，当读取输入流时，先读取“容量”，再依次读取“每个节点的元素”；

五、Vector

（一）、简介

Vector同ArrayList类似，底层数据结构是数组，特性即功能与ArrayList类似，也具有增删慢，查询快的特点，不同的是，Vector是同步的，线程安全的，所以在多线程环境下，使用Vector比ArrayList更合适。

Vector的特性：

• • 增删慢，查询快；
  • 效率低，线程安全（与ArrayList相反）；
  • 擅长随机访问，通过索引值遍历；

（二）、Vector构造方法

（三）、Vector的三个重要的属性：elementData , elementCount， capacityIncrement

elementData的特性与ArrayList中的elementData一致，这里不再赘述，这里主要讲一下elementCount和capacityIncrement。

1、elementCount：动态数组的大小，同ArrayList的size

2、capacityIncrement：扩容数组大小的增长系数。

在创建Vector时如指定了capacityIncrement的系数，则在Vector需要扩容时，扩容的大小总是capacityIncrement的系数大小。

（四）、Vector的遍历方式

Vector一共有4种遍历方式：Iterator迭代器遍历、通过索引值的随机方法、for-each遍历和Enumeration遍历。

Iterator迭代器遍历、通过索引值的随机方法、for-each遍历和ArrayList类似不再赘述，这里讲一下Enumeration遍历。

1、Enumeration遍历

Integer value = null;
Enumeration enu = vector.elements();
while (enu.hasMoreElements()) {
    value = (Integer)enu.nextElement();
}

2、4种遍历方式的性能

遍历Vector时，在性能方面：随机访问，通过索引值遍历 > for-each遍历 > Enumeration遍历 > Iterator迭代器遍历

所以，无论是ArrayList还是Vector遍历，推荐使用随机访问，通过索引值遍历 。

（五）、ArrayList与Vector的区别

1、线程安全。ArrayList是线程不安全的，Vector是线程安全的；

2、扩容不同。ArrayList默认扩容是（原始容量 * 3  / 2） + 1，Vector默认扩容是原始容量 * 2；

3、遍历方式不同，ArrayList有3种，Vector有4种，多的一种是Enumeration遍历；

（六）、总结

1、Vector实际上是通过一个数组去保存数据的。当我们构造Vecotr时；若使用默认构造函数，则Vector的默认容量大小是10。
2、 当Vector容量不足以容纳全部元素时，Vector的容量会增加。若容量增加系数 >0，则将容量的值增加“容量增加系数”；否则，将容量大小增加一倍。
3、 Vector的克隆函数，即是将全部元素克隆到一个数组中；

4、Vector默认扩容是原始容量 * 2；

六、LinkedList

（一）、简介及继承结构

1、简介

LinkedList是List接口的另一种实现方式，底层数据结构是链表，具有增删快，查询慢的特性。自定义了操作头部和尾部元素的方法，可以当做“栈”使用，同时又是Deque的实现类，所以有具有双端队列的特性。所以LinkedList既可以当做“栈”，也可以当做双端队列。

LinkedList的特性：

• 元素增删快，查询慢（基于链表的数据结构）；
• 效率高，线程不安全（非同步）；
• 既可以当作“栈”使用，又可以当作队列使用。

2、继承结构

 

 

通过结构图可以看出，ArrayList继承自AbstractList，实现了List, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable、Deque这些接口。

• • • 继承AbstractList，实现了List接口：它是一个动态链表，提供了相关添加，删除，修改和遍历等功能；
    • 实现RandomAccess接口：提供随机访问的能力；
    • 实现Cloneable接口：覆盖函数clone（），可以被克隆；
    • 实现Serializable接口：支持序列化和反序列化，可以通过序列化传输数据。

 

（二）、LinkedList的构造方法

（三）、LinkedList三个重要属性：size，first、last

1、size：双向链表节点的个数；

2、first：双向链表的头部节点；

3、last：双向链表的尾部节点。

transient Node<E> first;

transient Node<E> last;

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;
     }
}

从部分源码中可以看出，first和last是Node的实体实例，Node是LinkedList内部的私有静态类，Node定义了三个变量：item、next和prev。

• item：保存当前节点的值；
• next：指向下一个节点的值；
• prev：指向上一个节点的值；

（四）、LinkedList的遍历方式

LinkedList支持多种遍历方式。建议不要采用随机访问的方式去遍历LinkedList，而采用逐个遍历的方式。

1、Iterator迭代器遍历

Integer integer = null;
Iterator iterator = list.iterator();

while(iterator.hasNext()){
    integer = (Integer) iterator.next(); 
}

2、快速随机访问遍历

 

Integer integer = null;
        
for (int i=0; i<list.size(); i++) {
    integer = (Integer) list.get(i);        
}

 

 

3、for-each方式遍历

 

Integer integer = null;
        
for (Object object : list) {
    integer = (Integer) object;
}

 

 

4、pollFirst（）遍历

 while(list.pollFirst() != null) {} 

5、pollLast（）遍历

 while(list.pollLast() != null) {} 

6、removeFirst（）遍历

 while(list.removeFirst() != null) {} 

7、removeLast（）遍历

 while(list.removeLast() != null) {} 

8、遍历方式的性能

遍历LinkedList时，removeFirst()和removeLast()效率最高，但是使用这两种方式会在遍历时删除数据。如果只想单独读取数据，不删除数据，推荐使用for-each方式遍历。

（五）、LinkedList常用方法

1、add（E e）和 add(int index, E element)

 add（E e）的添加方式：

// 添加元素，以添加最后一个元素为例
public boolean add(E e) {
    linkLast(e);
    return true;
}

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++;
}

情况1：假设LinkedList集合为空的情况，看如下图解：

 

情况2：假设LinkedList集合不为空，看如下图解：

如果LinkedList不为空，那么添加进来的元素2就是last，元素2的prev指向以前的最后一个元素，即元素1，元素2的next为null；

注意：如果只在头部或尾部添加元素，可以直接调用addFirst（E e）或addLast（E e）；

add（int index，E element）添加方式：

//在指定位置添加一个元素
public void add(int index, E element) {
    checkPositionIndex(index);
    if (index == size)
        linkLast(element);
    else
        linkBefore(element, node(index));
}

private void checkPositionIndex(int index) {
    if (!isPositionIndex(index))
        throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
}

private boolean isPositionIndex(int index) {
    return index >= 0 && index <= size;
}

void linkBefore(E e, Node<E> succ) {
    // assert succ != null;
    final Node<E> pred = succ.prev;
    final Node<E> newNode = new Node<>(pred, e, succ);
    succ.prev = newNode;
    if (pred == null)
        first = newNode;
    else
        pred.next = newNode;
    size++;
    modCount++;
}

从代码中看到和add(E e)的代码实现没有本质区别，都是通过新建一个Node实体，同时指定其prev和next来实现，不同点在于需要调用node(int index)通过传入的index来定位到要插入的位置，这个也是比较耗时的。

如下图解：

 

LinkedList插入效率高是相对的，因为它省去了ArrayList插入数据可能的数组扩容和数据元素移动时所造成的开销，但数据扩容和数据元素移动却并不是时时刻刻都在发生的。

2、remove(Object o) 和 remove(int index)

 

//删除某个对象
public boolean remove(Object o) {
    if (o == null) {
        for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
            if (x.item == null) {
                unlink(x);
                return true;
            }
        }
    } else {
        for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
            if (o.equals(x.item)) {
                unlink(x);
                return true;
            }
        }
    }
    return false;
}
//删除某个位置的元素
public E remove(int index) {
    checkElementIndex(index);
    return unlink(node(index));
}
//删除某节点，并将该节点的上一个节点（如果有）和下一个节点（如果有）关联起来
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;
}

 

先找到要删除的节点，remove(Object o)方法遍历整个集合，通过 == 或 equals方法进行判断；remove(int index)通过node(index)方法。

 

（六）、LinkedList与ArrayList的区别

1、底层数据结构不同。ArrayList底层数据结构是数组。LinkedList底层数据结构是链表；

2、性能不同。ArrayList增删慢，查询快。LinkedLIst增删快，查询慢（底层数据结构不同）；

3、内存不同。LinkedList比ArrayList更占内存（因为LinkedList每个节点存储两个引用，一个指向前元素，一个指向后元素）。

（七）、总结

1、LinkedList是基于链表结构的集合。内部定义了一个私有的Node实体实例，Node是双向链表节点对应数据的数据结构，其定义了三个属性：item（保存该节点的值）、prev（指向前一个元素的节点）、next（指向后一个元素的节点）；

2、LinkedList不存在容量不足的问题；

3、LinkedList克隆时，是将全部元素克隆到新的LinkedLIst对象中；

4、LinkedList实现了Serializable接口，当写入输出流时，先写入“容量”，再依次写入“每一个节点的值”，当读取输入流时，先读取“容量”，再依次读取“每个节点的元素”；

5、LinkedList实现了Deque，而Deque接口定义了在双端队列两端访问元素的方法，提供插入、移除和检查元素的方法。每种方法都存在两种形式：一种形式在操作失败时抛出异常，另一种形式返回一个特殊值（null 或 false）。

七、Stack

（一）、简介及继承结构

1、Stack是继承自Vector，所以它的底层数据结构也是动态数组。实现了一个“先进后出（FILO, First In Last Out）”的栈结构。

2、Stack的继承结构

 

由于继承了Vector，所以具有了Vector的相关特性，这里不再赘述。

（二）、Stack的构造方法

 

（三）、常用的API方法

（四）、总结

1、Stack实际上也是通过数组去实现的。
       执行push时(即，将元素推入栈中)，是通过将元素追加的数组的末尾中。
       执行peek时(即，取出栈顶元素，不执行删除)，是返回数组末尾的元素。
       执行pop时(即，取出栈顶元素，并将该元素从栈中删除)，是取出数组末尾的元素，然后将该元素从数组中删除。
2、Stack继承于Vector，意味着Vector拥有的属性和功能，Stack都拥有。

八、List与实现类的扩展