List接口实现类－ArrayList、Vector、LinkedList集合深入学习以及源代码解析

学习List接口实现类 ArrayList  Vector  LinkedList

List接口的实现类中最经常使用最重要的就是这三个：ArrayList、Vector、LinkedList。

JDK中这三个类的定义：

1、ArrayList<E>：

public class ArrayList<E> extends AbstractList<E>

        implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable

{

    private static final long serialVersionUID = 8683452581122892189L;



    /**

     * The array buffer into which the elements of the ArrayList are stored.

     * The capacity of the ArrayList is the length of this array buffer.

     */

    private transient Object[] elementData;



    /**

     * The size of the ArrayList (the number of elements it contains).

     *

     * @serial

     */

    private int size;



2、 Vector<E>：

public class Vector<E>extends AbstractList<E>

    implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable

{

    /**

     * The array buffer into which the components of the vector are

     * stored. The capacity of the vector is the length of this array buffer,

     * and is at least large enough to contain all the vector's elements.

     *

     * <p>Any array elements following the last element in the Vector are null.

     *

     * @serial

     */

    protected Object[] elementData;



3、LinkedList<E>：



public class LinkedList<E>extends AbstractSequentialList<E>

    implements List<E>, Deque<E>, Cloneable, java.io.Serializable

{   // 在序列化这个对象的时候这个变量不会被这样序列化

    transient int size = 0;



    /**

     * Pointer to first node.

     * Invariant: (first == null && last == null) ||

     *            (first.prev == null && first.item != null)

     */

    transient Node<E> first;



    /**

     * Pointer to last node.

     * Invariant: (first == null && last == null) ||

     *            (last.next == null && last.item != null)

     */

    transient Node<E> last;

4、从这三个类定义就能够看出一些信息：

（1）、三个都直接实现了AbstractList这个抽象类

（2）、ArrayList和Vector都实现了RandomAccess接口。而LinkedList没有。这是什么意思呢？

在JDK 中，RandomAccess接口是一个空接口，所以它没有实际意义。就是一个标记，

标记这个类支持高速随机訪问，所以，arrayList和 vector是支持随机訪问的，可是LinkedList不支持持

（3）、serializbale接口表明他们都支持序列化。

5、以下具体说说List的这三个实现：

（1）、 查看实现源代码会发现这三个里面，ArrayList和Vector使用了数组的实现，相当于封装了对数组的操作。这也正是他们可以支持高速随机訪问的原因，多说一句，JDK中全部基于数组实现的数据结构都可以支持高速随机訪问。

ArrayList和Vector的实现上差点儿都使用了同样的算法，他们的主要差别就是ArrayList没有对不论什么一个方法做同步处理，所以不是线程安全的；而Vector中大部分方法都做了线程同步所以是线程安全的。

（2）、LinkedList使用的是双向循环链表的数据结构。因为是基于链表的。所以无法法实现随机訪问的，仅仅能顺序訪问，这也正是它没有实现RandomAccess接口的原因。

（3）、因为ArrayList、Vector和LinkedList所採用的数据结构不同。注定他们适用的是全然不同的场景。

通过阅读这几个类的源代码，我们能够看到他们实现的不同。

ArrayList和Vector基本一样，我们就用ArrayList和LinkedList做对照。

在末尾添加一个元素

6、ArrayList中的add方法实现例如以下：

/**

     * Appends the specified element to the end of this list.

     *将元素加入到list的最后

     * @param e element to be appended to this list

     * @return <tt>true</tt> (as specified by {@link Collection#add})

     */

    public boolean add(E e) {

        // 推断容量

ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!

        elementData[size++] = e;

        return true;

    }

这种方法做两件事情，首先确保数组空间足够大。然后在数组末尾添加元素而且通过后++使得完毕size+1

从这个代码能够看出，假设数组空间足够大，那么仅仅是数组的add操作就是O(1)的性能，很高效。

7、在看看ensureCapacityInternal这种方法的实现：

private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {

        modCount++;

        // overflow-conscious code。假设空间不够则扩容也就是又一次创建一个Object[]对象

        if (minCapacity - elementData.length > 0)

            grow(minCapacity);

    }

8、grow(int minCapacity)方法创建数组并将原来的数据复制到新数组中

/**

     * Increases the capacity to ensure that it can hold at least the

     * number of elements specified by the minimum capacity argument.

     *

     * @param minCapacity the desired minimum capacity

     */

    private void grow(int minCapacity) {

        // overflow-conscious code

        int oldCapacity = elementData.length;

        // 使用移位运算，提高效率

int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);

        if (newCapacity - minCapacity < 0)

            newCapacity = minCapacity;

        if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)

            newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);

        // minCapacity is usually close to size, so this is a win:

        elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);

    }

能够看出。假设数组空间不够，那么这种方法就会做数组扩容和数组复制操作，看上面，JDK利用移位运算符进行扩容计算，>>1右移一位表示除2，所以newCapacity就是扩容为原来的1.5倍。

9、这里的代码都是JDK1.7中的实现，JDK1.7对1.6的非常多代码做了优化。比方上面这段扩容代码，在JDK1.6中上面的是直接除2，显然。移位运算要更高效。

10、在看看LinkedList中的add方法：

（1）、add（E e）:

/**

     * Appends the specified element to the end of this list.

     *

     * <p>This method is equivalent to {@link #addLast}.

     *

     * @param e element to be appended to this list

     * @return {@code true} (as specified by {@link Collection#add})

     */

    public boolean add(E e) {

        linkLast(e);

        return true;

    }

(2)、linkLast(E e) ：



    /**

     * 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++;

    }

（3）、内部类：

  private static class Node<E> {

       // 当前节点

        E item;

       // 当前节点的后节点

        Node<E> next;

       // 当前节点的前节点

        Node<E> prev;

      // 构造函数

        Node(Node<E> prev, E element, Node<E> next) {

            this.item = element;

            this.next = next;

            this.prev = prev;

        }

    }

从这段add代码能够看出。LinkedList因为使用了链表。所以不须要进行扩容，直接把元素加到链表最后，把新元素的前驱指向之前的last元素。并把last元素指向新元素就能够了。

这也是一个O(1)的性能。

在任何位置插入元素

11、ArrayList中的实现例如以下：

（1）、 add(int index, E element)

public void add(int index, E element) {

        rangeCheckForAdd(index);

         // 推断容量

        ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!

        System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,

                         size - index);

        elementData[index] = element;

        size++;

    }

（2）、ensureCapacityInternal(int minCapacity)



private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {

        modCount++;

        // overflow-conscious code，假设数组长度不够则进行扩容

        if (minCapacity - elementData.length > 0)

            grow(minCapacity);

    }

（3）、grow(int minCapacity)

/**

     * Increases the capacity to ensure that it can hold at least the

     * number of elements specified by the minimum capacity argument.

     *

     * @param minCapacity the desired minimum capacity

     */

    private void grow(int minCapacity) {

        // overflow-conscious code

        int oldCapacity = elementData.length;

        int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);

        if (newCapacity - minCapacity < 0)

            newCapacity = minCapacity;

        if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)

            newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);

        // minCapacity is usually close to size, so this is a win:

        elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);

    }

这段代码，首先先检查数组容量，容量不够先扩容。然后把index之后的数组往后挪一个。最后在index位置放上新元素。因为数组是一块连续内存空间，所以在任何位置插入。都会导致这个其后数组后挪一位的情况。须要做一次数组复制操作，非常明显，假设有大量的随机插入，那么这个数组复制操作开销会非常大。并且插入的越靠前，数组复制开销越大。

12、LinkedList中的实现：

（1）、add(int index, E element)

/**

     * Inserts the specified element at the specified position in this list.

     * Shifts the element currently at that position (if any) and any

     * subsequent elements to the right (adds one to their indices).

     *

     * @param index index at which the specified element is to be inserted

     * @param element element to be inserted

     * @throws IndexOutOfBoundsException {@inheritDoc}

     */

    public void add(int index, E element) {

        checkPositionIndex(index);



        if (index == size)

            linkLast(element);

        else

            linkBefore(element, node(index));

    }



（2）、linkBefore（E e, Node<E> succ）

 /**

     * 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++;

    }



（3）、 Node<E> node(int index)



/**

     * Returns the (non-null) Node at the specified element index.

     */

    Node<E> node(int index) {

        // assert isElementIndex(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;

        }

    }

这段代码。取到原先index处节点的前驱。变成新节点的前驱，同一时候把原先index变成新节点的后驱，这样就完毕了新节点的插入。

这个就是链表的优势。不存在数据复制操作，性能和在最后插入是一样的。

小结：

从上面的源代码剖析能够看出这三种List实现的一些典型适用场景，假设常常对数组做随机插入操作，特别是插入的比較靠前，那么LinkedList的性能优势就很明显。而假设都仅仅是末尾插入，则ArrayList更占领优势。假设须要线程安全。则使用Vector或者创建线程安全的ArrayList。

在使用基于数组实现的ArrayList 和Vector 时我们要指定初始容量。由于我们在源代码中也看到了，在加入时首先要进行容量的推断，假设容量不够则要创建新数组。还要将原来数组中的数据拷贝到新数组中。这个过程会减低效率而且会浪费资源。