Java集合(二)：List列表

在上一节中，介绍了Java集合的总体情况。从这节開始，将介绍详细的类。这里不单单介绍类的使用方法。还会试图从源代码的角度分析类的实现。这一节将介绍List接口及实现类。即列表中的链表LinkedList和数组列表ArrayList。

1 List接口及抽象类

List接口扩展自Collection接口，这个接口设计了一些适合列表操作的方法。List是一个有序集合。元素能够加入到容器中某个特定的位置。

使用javac编译List.java源代码后，能够使用javap反编译源代码获得接口的详细信息。例如以下是调用后的结果：

Compiled from "List.java"
public interface java.util.List<E> extends java.util.Collection<E> {
  public abstract int size();
  public abstract boolean isEmpty();
  public abstract boolean contains(java.lang.Object);
  public abstract java.util.Iterator<E> iterator();
  public abstract java.lang.Object[] toArray();
  public abstract <T> T[] toArray(T[]);
  public abstract boolean add(E);
  public abstract boolean remove(java.lang.Object);
  public abstract boolean containsAll(java.util.Collection<?>);
  public abstract boolean addAll(java.util.Collection<? extends E>);
  public abstract boolean addAll(int, java.util.Collection<? extends E>);
  public abstract boolean removeAll(java.util.Collection<?>);
  public abstract boolean retainAll(java.util.Collection<?>);
  public void replaceAll(java.util.function.UnaryOperator<E>);
  public void sort(java.util.Comparator<? super E>);
  public abstract void clear();
  public abstract boolean equals(java.lang.Object);
  public abstract int hashCode();
  public abstract E get(int);
  public abstract E set(int, E);
  public abstract void add(int, E);
  public abstract E remove(int);
  public abstract int indexOf(java.lang.Object);
  public abstract int lastIndexOf(java.lang.Object);
  public abstract java.util.ListIterator<E> listIterator();
  public abstract java.util.ListIterator<E> listIterator(int);
  public abstract java.util.List<E> subList(int, int);
  public java.util.Spliterator<E> spliterator();
}

List接口提供了这些方法，大部分是Abstract的，但也有一部分不是，这部分方法是JDK 1.8 新增的default方法。比方sort方法。

List接口提供了随机訪问方法，比方get(int)方法，可是List并无论这些方法都某个特定的实现是否高效。

为了避免运行成本较高的随机訪问操作，Java SE 1.4 引入了一个标记接口RandomAccess。

这个接口没有不论什么方法，但能够用来检測一个特定的集合是否支持高效的随机訪问：

if(c instanceof RandomAccess)
{
    use random access algorighm
}
else
{
    use sequential access algorithm
}

ArrayList就实现了这个接口。

List接口中的例行方法在抽象类AbstractList中实现了，这样就不须要在详细的类中实现，比方isEmpty方法和contains方法等。

这些例行方法比較简单。含义也明显。对于随机訪问元素的类（比方ArrayList），优先继承这个抽象类。

在AbstractList抽象类中。有一个重要的域。叫modCount：

protected transient int modCount = 0;

这个域能够用来跟踪列表结构性改动的次数，什么是结构性改动呢？就是改变列表长度的改动，比方添加、删除等。

对于仅仅改动某个节点的值不算结构性改动。

这个域在后面的迭代器中很实用。

迭代器能够使用这个域来检測并发改动问题，这个问题会在LinkedList类中介绍。

抽象类AbstractSequentialList实现了List接口中的一些方法，对于顺序訪问元素的类（比方LinkedList），优先继承这个抽象类。

2 链表：LinkedList

链表是一个大家很熟悉的数据结构。

链表攻克了数组列表插入和删除元素效率太低的问题，链表的插入和删除就很高效。

链表将每一个对象存放在独立的节点中。

Java中的LinkedList链表，每一个节点除了有后序节点的引用外，另一个前序节点的引用，也就是说。LinkedList是一个双向链表。

LinkedList类有三个域，各自是大小、头结点和尾节点：

transient int size;
transient Node<E> first;
transient Node<E> last;

还有两个构造器，一个无參构造器和一个含參构造器：

public java.util.LinkedList();
public java.util.LinkedList(java.util.Collection<? extends E>);

当中无參构造器构造一个空的链表，含參构造器依据传进来的一个集合构造一个链表。

2.1 Node<E>内部类

LinkedList类中，定义了一个Node<E>内部类来表示一个节点。

这个类的定义例如以下：

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;
    }
}

这是一个静态内部类，也没有对外部的引用。这个类有三个域：值。前序节点的引用，后序节点的引用，也有一个构造方法。定义非常easy。

假设要创建一个Node节点，能够这样：

Node<E> node=new Node<>(pre,item,next);

当中，pre和next各自是前序节点和后序节点的引用。

2.2 链表操作的基本方法

既然是链表。就少不了链表节点的加入与删除。

在LinkedList类中，提供了六个主要的链表操作的方法。这些方法都对链表的结构进行改动，因此会改变AbstractList类中的modCount域，这六个方法例如以下：

private void linkFirst(E);//在链表头部加入给定值的节点作为头结点
void linkLast(E);//在链表尾部加入一个给定值的节点作为尾节点
void linkBefore(E, java.util.LinkedList$Node<E>);//在给定的节点前插入一个节点
private E unlinkFirst(java.util.LinkedList$Node<E>);//删除头结点。并返回头结点的值
private E unlinkLast(java.util.LinkedList$Node<E>);//删除尾节点，并返回尾节点的值
E unlink(java.util.LinkedList$Node<E>);//删除给定的节点

这些方法都是私有的（或包内私有的）。因此能够称为工具方法，LinkedList类中的全部结构性改动操作都是基于这六个方法实现的。

这六个方法都是链表的基本操作。代码比較简单。只是给出实现能够看看源代码实现者的写法，对于自己编程还是有帮助的：

    /**
     * Links e as first element.
     */
    private void linkFirst(E e) {
        final Node<E> f = first;
        final Node<E> newNode = new Node<>(null, e, f);
        first = newNode;
        if (f == null)
            last = newNode;
        else
            f.prev = newNode;
        size++;
        modCount++;
    }
 
    /**
     * Links e as last element.
     */
    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++;
    }
 
    /**
     * Inserts element e before non-null Node succ.
     */
    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++;
    }
 
    /**
     * Unlinks non-null first node f.
     */
    private E unlinkFirst(Node<E> f) {
        // assert f == first && f != null;
        final E element = f.item;
        final Node<E> next = f.next;
        f.item = null;
        f.next = null; // help GC
        first = next;
        if (next == null)
            last = null;
        else
            next.prev = null;
        size--;
        modCount++;
        return element;
    }
 
    /**
     * Unlinks non-null last node l.
     */
    private E unlinkLast(Node<E> l) {
        // assert l == last && l != null;
        final E element = l.item;
        final Node<E> prev = l.prev;
        l.item = null;
        l.prev = null; // help GC
        last = prev;
        if (prev == null)
            first = null;
        else
            prev.next = null;
        size--;
        modCount++;
        return element;
    }
 
    /**
     * Unlinks non-null node x.
     */
    E unlink(Node<E> x) {
        // assert x != null;
        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;
    }

2.3 列表迭代器：ListIterator接口

链表是一个有序集合。每一个对象的位置十分重要。LinkedList.add方法仅仅是将节点加到尾部，然而对于链表的操作还有非常大一部分须要将节点加入到链表中间。

因为迭代器是秒数集合中的位置的。所以这样的依赖位置的加入方法将由迭代器负责。

仅仅有对自然有序的集合使用迭代器加入元素才有意义。

比方，对于无序的集合set，在Iterator接口中就没有add方法。相反的，在集合类库中提供了ListIterator接口，当中就有add方法：

interface ListIterator<E> extends Iterator<E>
{
    void add(E element);
    ...
}

与Collection接口中的add方法不同，这种方法不返回boolean类型的值。由于它假定加入操作总是改变链表。

另外。除了hasNext和next方法，ListIterator接口还提供了以下的两个方法：

E previous();
boolean hasPrevious();

这两个方法用来反向遍历链表。previous也像next一样，返回越过的对象。

LinkedList类的listIterator方法返回一个迭代器对象：

ListIterator<String> iter=list.listIterator();

在介绍接口时我们知道。不能实例化一个接口对象。但能够声明一个接口对象然后引用一个实现了该接口的类的实例。那么listIterator方法返回的就必定是一个类的实例，而这个类也必定实现了这个接口，问题是。这个类是什么？

这个类事实上是LinkedList的一个内部类，即ListItr：

Compiled from "LinkedList.java"
class java.util.LinkedList$ListItr implements java.util.ListIterator<E> {
  private java.util.LinkedList$Node<E> lastReturned;
  private java.util.LinkedList$Node<E> next;
  private int nextIndex;
  private int expectedModCount;
  final java.util.LinkedList this$0;
  java.util.LinkedList$ListItr(java.util.LinkedList, int);
  public boolean hasNext();
  public E next();
  public boolean hasPrevious();
  public E previous();
  public int nextIndex();
  public int previousIndex();
  public void remove();
  public void set(E);
  public void add(E);
  public void forEachRemaining(java.util.function.Consumer<? super E>);
  final void checkForComodification();
}

上面也是使用javap反编译的结果。能够看到。这个内部类实现了ListIterator接口，并实现了这个接口的方法。

这正是理解迭代器的关键。我们知道，迭代器能够看做是一个位置。这个位置在两个节点的中间，也就是说，对于一个大小为n的链表，迭代器的位置有n+1个：

| a | b | ...| z |

在这个样例中。链表表示26个字母，迭代器的位置就有27个。

这里也是把迭代器形象化为光标。next方法就是光标移到下一个位置，饭后返回刚刚越过的元素，同理previous也是一样。仅仅只是是左移一个位置。然后返回刚刚越过的元素。以下是这两个方法的代码：

public E next() {
    checkForComodification();
    if (!hasNext())
        throw new NoSuchElementException();
 
    lastReturned = next;
    next = next.next;
    nextIndex++;
    return lastReturned.item;
}
 
public E previous() {
    checkForComodification();
    if (!hasPrevious())
        throw new NoSuchElementException();
 
    lastReturned = next = (next == null) ? last : next.prev;
    nextIndex--;
    return lastReturned.item;
}

这两个方法首先调用checkForComodifcation方法检查并发改动问题。前面说过，AbstractList的modCount记录了链表的改动次数，而每个迭代器都通过以下的字段维护一个独立的计数器：

private int expectedModCount = modCount;

这个域初始化为类的modCount改动次数。而checkForComodification检查迭代器自己维护的计数器是否和类的modCount相等，假设不等。就会抛出一个ConcurrentModificationException。

并发改动检查通过后。会调用hasNext或hasPrevious方法检查是否有待訪问的元素。ListItr类有一个nextIndex域：

private int nextIndex;

这个域维护迭代器的当前位置。当然，对于LinkedList来说，因为迭代器指向两个元素中间，所以能够同一时候产生两个索引：nextIndex方法返回下一次调用next方法时返回元素的整数索引。previousIndex返回下一次调用previous方法时返回元素的索引，这个索引比nextIndex小1。

hasNext和hasPrevious方法就是检查nextIndex和previousIndex是否在正确范围来确实是否有待訪问元素的。

ListItr类还有两个域：

private Node<E> lastReturned;
private Node<E> next;

lastReturned用来保存上次返回的节点，next就是迭代器位置的下一个元素。也能够看做光标的下一个元素（下一个元素总是光标的右面那个元素）。调用next方法后，光标右移一位。越过next域保存的节点，然后更新这两个域的值，即刚才的next变为lastReturned，next就是再下一个元素，然后nextIndex增1。

previous相对于next操作来说相当于光标左移一位，在更新lastReturned和next时，须要考虑next是否为null。假设next为null，说明在没运行previous时。迭代器在最后一个位置，所以运行previous后。next应该是链表的尾节点last。假设next不是null，那么next更新为next的前序节点。而lastReturned为光标刚越过的元素。即如今的next节点，这时，lastReturned和next节点指向同一个元素。

ListItr类有三个能够改动链表的方法：add、remove和set。当中add和remove会改变迭代器的位置。由于这两个方法改动了链表的结构；而set方法不会改动迭代器的位置。由于它不改动链表的结构。

这三个方法的代码例如以下：

public void remove() {
    checkForComodification();
    if (lastReturned == null)
        throw new IllegalStateException();
 
    Node<E> lastNext = lastReturned.next;
    unlink(lastReturned);
    if (next == lastReturned)
        next = lastNext;
    else
        nextIndex--;
    lastReturned = null;
    expectedModCount++;
}
 
public void set(E e) {
    if (lastReturned == null)
        throw new IllegalStateException();
    checkForComodification();
    lastReturned.item = e;
}
 
public void add(E e) {
    checkForComodification();
    lastReturned = null;
    if (next == null)
        linkLast(e);
    else
        linkBefore(e, next);
    nextIndex++;
    expectedModCount++;
}

值得注意的是remove方法。

在每次调用remove方法后，都会将lastReturned置为null。也就是说。假设连续调用remove方法，第二次调用就会抛出一个IllegalStateException异常。

因此。remove操作必须跟在next或previous操作之后。

如今已经介绍了ListIterator接口的基本方法，能够从前后两个方向遍历链表中的元素，并能够加入、删除元素。

记住一点：链表的任何位置加入与删除节点的操作是ListIterator迭代器提供的，类本身的add方法仅仅能在结尾加入。

2.4 随机訪问

在Java类库中，还提供了很多理论上存在一定争议的方法。链表不支持高速随机訪问。假设要查看链表中的第n个元素，就必须从头開始。越过n-1个元素，没有捷径可走。鉴于这个原因。在程序须要採用整数索引訪问元素时。一般不选用链表。

虽然如此，LinkedList类还提供了一个用来訪问某个特定元素的get方法：

LinkedList<String> list=...;
String s=list.get(n);

当然，这种方法的效率不太高。

绝不应该使用这样的让人误解的随机訪问方法来遍历链表。以下的代码效率极低：

for(int i=0;i<list.size();i++)
{
    dosomething with list.get(i);
}

每次查找一个元素都要从头開始又一次搜索。LinkedList对象根本不做不论什么缓存位置信息的处理。

事实上。在LinkedList类中，get方法会推断当前的位置距离头和尾哪一端更近，然后推断从左向右遍历还是从右向左遍历。

2.5 样例

以下的代码演示了LinkedList类的基本操作。

它简单的创建两个链表，将它们合并在一起，然后从第二个链表中每间隔一个元素删除一个元素。最后測试removeAll方法：

import java.util.*;
public class LinkedListTest {
    public static void main(String[] args) {
        List<String> a=new LinkedList<>();
        a.add("A");
        a.add("C");
        a.add("E");
 
        List<String> b=new LinkedList<>();
        b.add("B");
        b.add("D");
        b.add("F");
        b.add("G");
 
        ListIterator<String> aIter=a.listIterator();
        Iterator<String> bIter=b.iterator();
 
        while(bIter.hasNext()){
            if(aIter.hasNext())aIter.next();
            aIter.add(bIter.next());
        }
        System.out.println(a);
 
        bIter=b.iterator();
        while(bIter.hasNext()){
            bIter.next();
            if(bIter.hasNext()){
                bIter.next();
                bIter.remove();
            }
        }
        System.out.println(b);
 
        a.removeAll(b);
        System.out.println(a);
    }
}

结果例如以下：

3 数组列表：ArrayList

前面介绍了List接口和实现了这个接口的LinkedList类。List接口用于描写叙述一个有序集合，而且集合中每一个元素的位置十分重要。

有两种訪问元素的协议：一种是用迭代器。还有一种使用get和set方法随机訪问每一个元素。

后者不适用于链表，但对数组非常实用。集合类库提供了一个大家非常熟悉的ArrayList类，这个类也实现了List接口。ArrayList类封装了一个动态再分配的对象数组。

Java集合类库中另一个动态数组：Vector类。只是这个类的全部方法是同步的，能够由两个线程安全的訪问一个Vector对象。

可是，假设一个线程訪问Vector。代码要在同步上消耗大量的时间。

而ArrayList方法不是同步的，因此。假设不须要同步时使用ArrayList。

在ArrayList具体解释中具体介绍了类的实现及方法的使用。