java集合框架使用原理分析

集合是我们日常编程中可能用的很多的技术之一 使用频率极高 可能平时就会知道怎么去用 但是集合之间的关系与不同之处都不是很清楚 对它们的底层原理更甚 所以写词文章 让自己有一个更深的认识

集合是一个庞大的家族 今天先来说说这几个 ArrayList、LinkedList、Vector

ArrayList  由于它的底层是数组 数组我们都知道它的查询修改都是效率很高的 ArrayList也是如此 但是为什么查询修改效率高 插入和删除效率低较低呢 这就跟它的数据结构有关系呢 接下啦我们来看看ArrayList数据结构模型

插入、删除：如果我们要想集合中插入一个数100 它的操作步骤是 先在集合中把要插入的位置的数32复制一份 然后再把后面的数往后移  我们不仅要复制数据 而且还要将数据往后移 如果这个集合的数据很多的话 那效率就会很低  进行删除的话后面的数据复制一份 同时数据都要像前面移动 效率也很低

查询、修改： 修改如果进行查询 我们只需要通过数组下标就可以定位到数据 所以效率高 实际开发中 我们大部分是进行查询数据 所以ArrayList使用很广泛

任何事物都有两面性 不管是生活中 还是工作中 在编程也是同样适用的（因为编程也是人发明出来的嘛） 为了解决ArrayList的这一短板 聪明的程序员就使用另一个集合

ArrayList 增删改查的源码

从源码我们可以看出 不管是插入和删除元素的时候 ArrayList都会复制数组操作 这也就导致了它的效率不高

 1 //查询元素
 2  public E get(int index) {
 3 //检查元素是否越界
 4         rangeCheck(index);
 5
 6         return elementData(index);
 7     }
 8
 9
10 //按顺序添加元素
11  public boolean add(E e) {
12        //确认开启扩容机制
13         ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
14         elementData[size++] = e;
15         return true;
16     }
17
18 //在指定位置插入元素
19  public void add(int index, E element) {
20        //检查索引是否越界
21         rangeCheckForAdd(index);
22        //确认开启扩容机制
23          ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
24        //复制数组
25         System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,
26                          size - index);
27       //替换元素
28         elementData[index] = element;
29         size++;
30     }
31
32
33
34
35 //移除某个元素
36  public E remove(int index) {
37         rangeCheck(index);
38
39         modCount++;
40         E oldValue = elementData(index);
41
42         int numMoved = size - index - 1;
43         if (numMoved > 0)
               //复制数组
44             System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,
45                              numMoved);
46         elementData[--size] = null; // clear to let GC do its work
47
48         return oldValue;
49     }
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51
52  

LinkedList 

LinkedList它的底层是双向链表实现的非线程安全的集合，它是一个链表结构，不能像数组一样随机访问，必须是每个元素依次遍历直到找到元素为止。其结构的特殊性导致它查询数据慢。 接下来我们来看看它的结构模型

插入、删除 ：因为是链表结构 所以它的插入效率很高 (如果在14 和 18之间插入一个33 的话，链表直接会将连接到18的链子断开 然后连接上33所在的前节点  数据18的前节点再连接上33的后节点  如图2所示) 也就是说 插入一个数字我们只需要将(14 和 18 之间的)链表断开 再将14和33之间的链表连上即可  比ArrayList的数组复制效率高

查询、修改 ：LinkedList 查询速度慢 因为它要遍历整个整个集合 直到找到元素为止 如果集合数组多的话 消耗的资源就多 而ArrayList是通过数组下标定位速度快 同样他也是线程不安全的

linkedList

在执行查询时 先判断元素是靠近头部还是尾部 如果是头部 若靠近头部，则从头部开始依次查询判断

执行插入时 判断是插入到中间还是尾部 如果插入到尾部 直接将尾节点的下一个指针指向新增节点。如果插入到中间 获取到当前节点的上一个节点（D） 并将D节点的后指针指向新的节点头指针 然后新增节点的下一个指针指向当前节点。

 1   //查询元素
 2   public E get(int index) {
 3       //检查所引是否越界
 4       checkElementIndex(index);
 5          return node(index).item;
 6      }
 7
 8 // 返回指定索引处的节点
 9 Node<E> node(int index) {
10   // 指定的索引值与链表大小右移一位，及除以 2 进行比较
11    if (index < (size >> 1)) { // 索引小，则从首节点向后扫描，直到索引值处
12    Node<E> x = first;
13     for (int i = 0; i < index; i++)
14      x = x.next;
15     return x;
16     } else { // 索引大，则从尾节点向前扫描，直到索引值处
17     Node<E> x = last;
18      for (int i = size - 1; i > index; i--)
19     x = x.prev;
20     return x;
21   }
22 }
23
24
25   //移除指定元素
26    public E remove(int index) {
27          checkElementIndex(index);
28          return unlink(node(index));
29     }
30
31  //在指定位置添加元素
32    public void add(int index, E element) {
33        //检查所引是否越界
34        checkPositionIndex(index);
35        // 在链表末尾天添加
36          if (index == size)
37              linkLast(element);
38          else
39              linkBefore(element, node(index));
40     }
41
42    private static class Node<E> {
43          E item;
44          //头节点
45          Node<E> next;
46        //尾节点
47          Node<E> prev;
48          Node(Node<E> prev, E element, Node<E> next) {
49             this.item = element;
50              this.next = next;
51              this.prev = prev;
52          }
53      }
54
55   /**
56       * Links e as last element.
57       */
58      void linkLast(E e) {
59          //用l来临时保存未插入前的last节点
60          final Node<E> l = last;
61         //创建一个值为e的新节点 添加第一个元素时 l = null
62          final Node<E> newNode = new Node<>(l, e, null);
63          //将新节点赋值的last
64         last = newNode;
65         if (l == null)
66              first = newNode;
67          else
68             l.next = newNode;
69          size++;
70          modCount++;
71      }

Vector 

Vector的数据结构和使用方法 跟ArrayList相同 不同之处在于Vector是线程安全的 几乎所有的对数据操作的方法都被synchronized关键字修饰  synchronized是线程同步的 当一个线程获得Vector对象锁的时候 其它的线程必须等到它执行完毕之后（锁被释放）才能执行

总结

1.ArrayList 它的底层是一个数组 查询修改数据快(通过下标定位) 但是插入删除数据比较慢 (插入数据慢是因为复制数组耗时)  为了改进这个缺点 于是就有了LinkedList数组 它是一个链表结构 插入和删除数据很快（只需要修改指针引用） 但是查询和修改数效率低（他要查询到整个链表从第一个开始寻找 一直找到为止）

2.ArrayList 和LinkedList都是线程不安全的

3.Vector是线程安全的 但是效率低 当我们执行单个线程的时候ArrayList的效率高于Vector