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Week-2-Java-容器-详细剖析-List-之-ArrayList-Vector-LinkedList

jiezi

前言

学习情况记录

  • 时间：week 2
  • SMART 子目标：Java 容器

记录在学习 Java 容器 知识点中，关于 List 的需要重点记录的知识点。

知识点概览：

  • ArrayList 与 LinkedList 对比
  • ArrayList 中的 RandomAccess 接口 是什么？
  • LinkedList 中的 Deque 接口 是什么？
  • 老调常谈 之 ArrayList 扩容机制
  • ArrayList 与 Vector 对比

ArrayList 与 LinkedList 对比

  1. 底层数据结构：

    • ArrayList 底层使用的 Object 数组，默认大小 10。

      **

    • LinkedList 底层使用的是双向链表数据结构（JDK1.6 之前为循环链表，JDK1.7 取消了循环。注意双向链表和双向循环链表的区别）。LinkedList 包含了 3 个重要的成员：size、first、last。size是双向链表中节点的个数，first和 last 分别指向第一个和最后一个节点的引用。

  2. 插入和删除是否受元素位置的影响：

    • 由于底层实现的影响，ArrayList 采用数组存储，所以插入和删除元素的时间复杂度受元素位置的影响。比如：执行 add(E e) 方法的时候，ArrayList 会默认在将指定的元素追加到此列表的末尾，这种情况时间复杂度就是 O(1)。但是如果要在指定位置 i 插入和删除元素的话（add(int index, E element)）时间复杂度就为 O(n-i)。因为在进行上述操作的时候集合中第 i 和第 i 个元素之后的 (n-i) 个元素都要执行向后位 / 向前移一位的操作。实际就是 近似 O(n)。
    • 而 LinkedList 采用链表存储，所以插入，删除元素时间复杂度不受元素位置的影响，都是近似 O（1）
  3. 是否支持快速随机访问 ：这个也是由底层实现决定的，LinkedList 不支持高效的随机元素访问，而 ArrayList 支持。 快速随机访问就是通过元素的序号快速获取元素对象 (对应于get(int index) 方法)。
  4. 内存空间占用：ArrayList 的空间浪费主要体现在在 list 列表的结尾会预留一定的容量空间，而 LinkedList 的空间花费则体现在它的每一个元素都需要消耗比 ArrayList 更多的空间（因为要存放 prev 指针和 next 指针以及数据）。

ArrayList 中的 RandomAccess 接口 是什么？

前面的图中我们可以看到 ArrayList 继承了三个接口，后面两个都是比较熟悉的，分别是标识对象可复制和可序列化。

那么RandomAccess 接口代表什么呢？

前面的关于 ArrayList 与 LinkedList 的对比当中，有一点就是，

是否支持快速随机访问 ：这个也是由底层实现决定的，LinkedList 不支持高效的随机元素访问，而 ArrayList 支持。 快速随机访问就是通过元素的序号快速获取元素对象 (对应于get(int index) 方法)。

而RandomAccess 接口 就是用来 标识该类支持快速随机访问。查看源码可以发现，这个接口内部没有任何的定义。仅仅是起标识作用。

比如在 Collections.binarySearch() 方法中，

实现了 RandomAccess 接口的 List 使用索引遍历，而未实现 RandomAccess 接口的 List 使用迭代器遍历。

总结一句话：实现 RandomAccess 接口的 List 可以通过 for 循环来遍历数据比使用 iterator 遍历数据更高效，未实现 RandomAccess 接口的 List 可以通过 iterator 遍历数据比使用 for 循环来遍历数据更高效。当然对于 ArrayList 来说，for 循环遍历和 Iterator 方式遍历差距不大，但是对于 LinkedList 这种没有实现的来说，两种遍历方式效率差距就有点大了。这主要是因为底层实现不同。

LinkedList 中的 Deque 接口是什么？

与 ArrayList 相对应的，LinkedList 中也有一个值得好好研究的接口，那就是Deque 接口。

Deque - double-ended queue，中文名为双端队列。

我们都知道 Queue 是一个队列，遵循 FIFO 准则，我们也知道 Stack 是一个栈结构，遵循 FILO 准则。而 Deque 这个双端队列就厉害了, 它既可以实现栈的操作，也可以实现队列的操作，换句话说，实现了这个接口的类， 既可以作为栈使用也可以作为队列使用。

如何作为队列使用呢？Deque 实现了 Queue，所以 Queue 所有的方法 Deque 都有，下面比较的是 Deque 区别 Queue 的方法：

Queue Deque
add(e) addLast()
offer(e) offerLast()
remove() removeFirst()
poll() pollFirst()
element() getFirst()
peek() peekFirst()

如何作为栈使用呢？下面我们来看看下双端队列作为栈 Stack使用的时候方法对应关系。

Stack Deque
push(e) addFist(e)
pop() removeFirst()
peek() peekFirst()

因为篇幅有限，具体实现源码就不带大家去分析了。

引一篇好文：搞懂 Java LinkedList 源码

老调常谈 之 ArrayList 扩容机制

这是一个很频繁的面试点，故记录一下。

以下是源码部分。

  1. 从 add()方法开始入手
  2. ensureCapacityInternal(size + 1) 确认当前数组可否容纳 size + 1 个元素，如果不够进行扩容

  3. grow(minCapacity) 这就是具体扩容的逻辑

    • 新容量的大小为 oldCapacity + (oldCapacity >> 1)，也就是旧容量的 1.5 倍
    • 扩容操作 需要 调用 Arrays.copyOf()这个方法，把原数组整个复制到新数组中，这个操作代价很高，所以 很多地方包括阿里开发手册上也会建议 在集合初始化的时候就指定好大概的容量大小，减少扩容的次数。

ArrayList 与 Vector 对比

ArrayList 与 Vector 的底层实现都是 Object 数组，所以两者使用和特性上非常类似。

不同的是，

  • Vector 是线程安全的，内部使用了 synchronized 进行同步。这导致了 Vector 性能非常不好。相比较的话，推荐用 ArrayList，然后自己控制同步。
  • Vector 每次扩容都是 2 倍大小，而不是 1.5

如果是想要达到线程安全的目的，Vector 有其他的替代方案：

  • 使用 Collections.synchronizedList() 得到一个线程安全的 ArrayList（这类的 Collections.synchronized*() 就是一层 Wrapper，看源码就知道了）
  • 也可以使用 J.U.C 中的 CopyOnWriteArrayList 读写分离，后面的内容会有详细介绍

参考

  1. 搞懂 Java LinkedList 源码
  2. 《码出高效》
  3. 《疯狂 Java 讲义》
  4. github cs-note
  5. java guide
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