一、ArrayList详解

1.继承关系

public class ArrayList<E> extends AbstractList<E> implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable

2.属性

//默认的数组长度
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
//存储list中元素的数组,transient关键字表示该对象在ArrayList序列化时不被序列化。
transient Object[] elementData;
//数组中实际元素的个数
private int size;
//数组的最大长度
private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;

3.构造方法:

ArrayList的构造函数总共有三个:

(1)ArrayList()构造一个初始容量为 10 的空列表。
(2)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。
(3)ArrayList(int initialCapacity)构造一个具有指定初始容量的空列表。
所以如果调用List list = new ArrayList(10);会直接调用第三个构造函数。否则就需要扩容。
4.其他重要方法

1)add()添加元素:

     public boolean add(E e) {
ensureCapacityInternal(size + 1); // size为element数组的实际大小,若size+1<elementData.length,则不用动态扩容,否则需要将elementData进行动态扩容。
elementData[size++] = e;
return true;
}
private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
} ensureExplicitCapacity(minCapacity);
} private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
modCount++; if (minCapacity - elementData.length > 0)
grow(minCapacity);
}
//grow:elementData数组扩容
private void grow(int minCapacity) {
int oldCapacity = elementData.length;
//每次增长newCapacity=oldCapacity*1.5,为原来的1.5倍
int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
//如果oldCapacity*1.5倍后,容量还是比minCapacity要小,则将newCapacity的值直接置为minCapacity
if (newCapacity - minCapacity < 0)
newCapacity = minCapacity;
//如果增长的新长度大于了MAX_ARRAY_SIZE,则调用hugeCapacity来获取一个不大于Integer.MAX_VALUE的值。
if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
//重新申请一个newCapacity长度的数组空间,并把elementData数组中内容拷贝过去。
elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
}
//hugeCapacity: elementData的最大容量
private static int hugeCapacity(int minCapacity) {
if (minCapacity < 0) // overflow
throw new OutOfMemoryError();
//当最小保证的容量minCapacity比MAX_ARRAY_SIZE还大时,返回Integer.MAX_VALUE;否则直接返回MAX_ARRAY_SIZE
return (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ?
Integer.MAX_VALUE :
MAX_ARRAY_SIZE;
}

2)add()在指定位置添加元素:

     public void add(int index, E element) {
rangeCheckForAdd(index); ensureCapacityInternal(size + 1); // 确保数组的长度>=size+1
//将elementData中index到数组最后一个元素,整体向后移动一个位置,空出index这一个位置,将element填入
System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1, size - index);
elementData[index] = element;
size++;
}

3)addAll():

ArrayList内部是以数组的形式实现的,直接数组后面加数组,并增长数组长度。

     public boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c) {
rangeCheckForAdd(index); Object[] a = c.toArray();
int numNew = a.length;
//确保数组能容下添加的所有元素,可能进行动态扩容
ensureCapacityInternal(size + numNew);
//计算从Index到处数组最后一个元素需要移动的元素的个数
int numMoved = size - index;
if (numMoved > 0)
//直接采用System.arraycopy将elementData数组中从index开始到最后一个元素位置这一段数据,移动到index+numNew位置
System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + numNew, numMoved);
//若index等于size,则直接在原数组后面添加
System.arraycopy(a, 0, elementData, index, numNew);
size += numNew;
return numNew != 0;
}

addAll()是调用System.arraycopy()函数来进行添加list集的,以复制的方式进行。System.arraycopy()源码如下:

   /*
* 源数组,也就是要x.addAll(y)中的y
* @param src the source array.
* 源数组开始复制的位置,也就是y从第几位开始添加进x
* @param srcPos starting position in the source array.
* 目的数组,也就是x
* @param dest the destination array.
* 从目的数组的哪个位置开始添加,也就是从x的第几位开始添加进y
* @param destPos starting position in the destination data.
* 要复制的数组长度,也就是y要添加进x的数据个数
* @param length the number of array elements to be copied.
*/
public static native void arraycopy(Object src, int srcPos,
Object dest, int destPos,
int length);

从上面可以看出,x.addAll(y)函数是在x集合的基础上再其里面加入y集合,而不是用y将x进行覆盖。

数组copy方法效率比较:

System.arraycopy > clone > Arrays.copyOf > for循环

4)remove一个区间的数值:

     //是一个前闭后开的区间,就是toIndex位置的元素不被移除,fromIndex位置元素被移除
protected void removeRange(int fromIndex, int toIndex) {
modCount++;
//需要移动的元素的个数=toIndex到最后一个元素位置
int numMoved = size - toIndex;
System.arraycopy(elementData, toIndex, elementData, fromIndex, numMoved); // clear to let GC do its work
int newSize = size - (toIndex-fromIndex);
for (int i = newSize; i < size; i++) {
elementData[i] = null;//设置为null,让gc有机会回收
}
size = newSize;
}

二、LinkedList详解

1.继承关系

public class LinkedList<E> extends AbstractSequentialList<E> implements List<E>, Deque<E>, Cloneable, java.io.Serializable

(1)继承自AbstractSequentialList抽象类(该类继承自AbstractList抽象类);实现了List、Deque、Cloneable和Serializable接口,对随机get、set、remove等做了基本实现。
(2)AbstractSequentialList抽象类:定义了具体方法get()、set()、add()、remove()、addAll()(提供对list的随机访问功能)和抽象方法abstract ListIterator<E> listIterator(int index)。
(3)Deque:双向队列,可以用作栈。继承自Queue接口,Queue接口又继承自Collection接口。
(4)实现方式是采用双向链表的形式。
(5)LinkedList可以被当作堆栈(实现了Deque接口)、队列或双端队列进行操作。

2.属性

transient int size = 0;//包含元素的个数
transient Node<E> first;//指向链表的第一个元素的指针
transient Node<E> last;//指向链表的最后一个元素的指针

3.数据结构

     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;
}
}

4.方法

(1)addFirst():链表头部添加一个新元素,调用私有方法linkFirst实现

     public void addFirst(E e) {
linkFirst(e);
}
//linkFirst:在链表首添加一个元素
private void linkFirst(E e) {
final Node<E> f = first;
//new Node<>(指向前一个节点的指针,数据,指向后一个节点的指针)
final Node<E> newNode = new Node<>(null, e, f);
first = newNode;
//链表原先为空,现在添加了一个节点,last指针和first指针都指向该节点
if (f == null)
last = newNode;
//原先的首节点的prev指针指向新节点
else
f.prev = newNode;
size++;
//修改次数+1
modCount++;
}

(2)addLast、add:在链表尾部添加一个新节点,调用私有方法linkLast实现

     public void addLast(E e) {
linkLast(e);
}
//类似的还有add方法也是调用linkLast实现
public boolean add(E e) {
linkLast(e);
return true;
}
//linkLast:在链表的最后添加一个节点
void linkLast(E e) {
final Node<E> l = last;
//新节点的prev指针指向原先的最后一个节点
final Node<E> newNode = new Node<>(l, e, null);
//修改last指针指向新的最后一个节点
last = newNode;
if (l == null)
first = newNode;
//原先的最后一个节点的next指针指向新节点
else
l.next = newNode;
size++;
modCount++;
}

(3)removeFirst:删除链表的头节点

     public E removeFirst() {
final Node<E> f = first;
if (f == null)
throw new NoSuchElementException();
return unlinkFirst(f);
}
//unlinkFirst:删除链表中第一个节点,并取消链接(prev和next),私有方法,供removeLast()调用
//使用前提:f!=null,否则会抛出异常;并且f是链表的第一个节点,否则结果会删除链表首节点到f位置的所有节点(first=f.next)
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;
//链表中已经没有节点了
if (next == null)
last = null;
else
next.prev = null;
size--;
modCount++;
return element;
}

(4)removeLast:删除链表的最后一个节点

     public E removeLast() {
final Node<E> l = last;
if (l == null)
throw new NoSuchElementException();
return unlinkLast(l);
}
//unlinkLast:删除链表的最后一个节点,并删除链接,私有方法,供removeFirst方法调用
//使用前提:f!=null,否则会抛出异常;并且l是链表的最后一个节点,否则会删除f到链表尾部的所有节点(last=l.prev)
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;
//该链表中已经没有节点了
if (prev == null)
first = null;
else
prev.next = null;
size--;
modCount++;
return element;
}

三、Vector详解

1.继承关系

public class Vector<E> extends AbstractList<E> implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable

(1)继承自AbstractList类
(2)List接口:继承自Collection接口,同时自己也定义了一系列索引访问功能。
(3)RandomAccess:空接口,实现该接口代表该类拥有随机访问list对象的能力。
(4)Cloneable:空接口,实现该接口,重写Object的clone方法,否则会抛出异常。调用super.clone()实现对象的复制,如果对象中有引用,可以在super.clone后面进行处理。
(5)java.io.Serializable:空接口,实现该接口代表该类可序列化

2.属性

protected Object[] elementData;//内部还是采用一个数组保存list中的元素
protected int elementCount;//数组实际包含的元素的个数
protected int capacityIncrement;//每次增长的大小(不是增长率),当值小于等于0时,容量每次增长的容量为elementData.length(即倍增原数组的大小)
private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8; //数组的最大容量

3.方法

(1)构造方法,如果不提供初始容量,则默认数组大小为10

     public Vector() {
this(10);
}

(2)同步方法:trimToSize,将数组的容量修改成实际容量的大小,即令elementData.length=elementCount

     public synchronized void trimToSize() {
modCount++;
int oldCapacity = elementData.length;
if (elementCount < oldCapacity) {
elementData = Arrays.copyOf(elementData, elementCount);
}
}

(3)同步方法:ensureCapacity,保证数组的最小容量

     public synchronized void ensureCapacity(int minCapacity) {
if (minCapacity > 0) {
modCount++;
ensureCapacityHelper(minCapacity);
}
}
//调用了ensureCapacityHelper:
private void ensureCapacityHelper(int minCapacity) {
// overflow-conscious code
if (minCapacity - elementData.length > 0)
grow(minCapacity);
}
//调用了grow:
private void grow(int minCapacity) {
// overflow-conscious code
int oldCapacity = elementData.length;
//如果capacityIncrement<0,则newCapacity=oldCapacity+oldCapacity;
//否则则newCapacity=oldCapacity+capacityIncrement;
int newCapacity = oldCapacity + ((capacityIncrement > 0) ?
capacityIncrement : oldCapacity);
//如果增长后仍不能保证满足minCapacity,则令newCapacity = minCapacity
if (newCapacity - minCapacity < 0)
newCapacity = minCapacity;
//若增长后的大小大于允许的最大长度,则调用hugeCapacity
if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
//调用Arrays.copyof方法将elementData拷贝到一个容量为newCapacity的数组中。
//Arrays.copyOf(elementData, newCapacity)实际上是通过System.arraycopy(original, 0, copy, 0,Math.min(original.length, newLength));来实现的
elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
}
//调用了hugeCapacity
private static int hugeCapacity(int minCapacity) {
if (minCapacity < 0) // overflow
throw new OutOfMemoryError();
//MAX_ARRAY_SIZE=Integer.MAX_VALUE-8
return (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ?
Integer.MAX_VALUE :
MAX_ARRAY_SIZE;
}

(4)同步方法:setSize,将elementData.length设置为newSize

     public synchronized void setSize(int newSize) {
modCount++;
if (newSize > elementCount) {
//若newSize<elementData.length,则不用扩容,否则需要扩容
ensureCapacityHelper(newSize);
} else {
//若newSize<elementData的实际大小(elementCount),则将newSize及其后面的数组都置为空
for (int i = newSize ; i < elementCount ; i++) {
elementData[i] = null;
}
}
elementCount = newSize;
}

(5)同步方法:capacity,返回数组的大小;size,返回数组包含的元素的个数;isEmpty,判断数组是否没有元素

     public synchronized int capacity() {
return elementData.length;
}
public synchronized int size() {
return elementCount;
}
public synchronized boolean isEmpty() {
return elementCount == 0;
}

(6)同步方法:删除index处的元素

     public synchronized void removeElementAt(int index) {
modCount++;
if (index >= elementCount) {
throw new ArrayIndexOutOfBoundsException(index + " >= " +
elementCount);
}
else if (index < 0) {
throw new ArrayIndexOutOfBoundsException(index);
}
int j = elementCount - index - 1;
if (j > 0) {
//将elementData从index+1到elementCount为止的元素向前移动一个位置,覆盖Index处的元素
System.arraycopy(elementData, index + 1, elementData, index, j);
}
elementCount--;
elementData[elementCount] = null; /* to let gc do its work */
}
//remove也是删除,但是没有判断index是否小于0
public synchronized E remove(int index) {
modCount++;
if (index >= elementCount)
throw new ArrayIndexOutOfBoundsException(index);
E oldValue = elementData(index); int numMoved = elementCount - index - 1;
if (numMoved > 0)
System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,
numMoved);
elementData[--elementCount] = null; // Let gc do its work return oldValue;
}

(7)同步方法:insertElementAt,在index处插入obj

     public synchronized void insertElementAt(E obj, int index) {
modCount++;
if (index > elementCount) {
throw new ArrayIndexOutOfBoundsException(index
+ " > " + elementCount);
}
//先保证容量大于elementCount+1
ensureCapacityHelper(elementCount + 1);
//将elementData数组中index到elementCount之间的元素向后移动一位,给Index处空出位置
System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1, elementCount - index);
elementData[index] = obj;
elementCount++;
}

四、Stack详解

Stack继承于Vector,在其基础上实现了Stack所要求的后进先出(LIFO)的弹出与压入操作,其提供了push、pop、peek三个主要的方法:

push操作通过调用Vector中的addElement来完成;

pop操作通过调用peek来获取元素,并同时删除数组中的最后一个元素;

peek操作通过获取当前Object数组的大小,并获取数组上的最后一个元素。

ArrayList, LinkedList和Vector区别:

1.实现方式:

ArrayList和Vector采用数组按顺序存储元素,默认初始容量是10。

LinkedList基于双向循环链表实现(含有头结点)。

2.线程安全性

Vector线程安全,效率低,开销大。

ArrayList和LinkedList非线程安全。

3.扩容机制

ArrayList扩容为原来的1.5倍。不可以设置容量增量。

Vector扩容为原来容量+容量增量的2倍。可以设置容量增量。

4.增删改查效率

在集合末尾增加、删除元素,修改和查询时用ArrayList和Vector快。

在指定位置插入、删除元素,LinkedList快。

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