数据结构之ArrayList&

数据结构之ArrayList&

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首先:讲述ArrayList之前先来说下List,List是java重要的数据结构之一,我们经常接触到的有ArrayList、Vector和LinkedList三种,他们都继承来自java.util.Collection接口

List 是一个接口,它是继承于Collection的接口。它代表着<有序>的队列

下面是Java中的集合类的关系图。从中可以大致了解集合类之间的关系

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本篇主要讲述 Arraylist

Arraylist初始化方法,最简短的

List<String> strings = new ArrayList<String>(asList("foo", "bar", "baz"))

比较常用的

List<String> demo= new ArrayList<>();
demo.add("瞎子");
demo.add("盲僧");
demo.add("李青");
demo.add("扫地僧");

ArrayList是Java一个很常用的集合类,它相当于一个动态数组,内部的数组大小可以根据元素实际情况自动分配,也可以自己分配大小。

在使用ArrayList的时候,应注意ArrayList并不是线程安全的,如果需要多线程并发操作应当使用CopyOnWriteArrayList(读远大于写的情况),或者使用Collections工具类的synchronizedList方法将其包装。

ArrayList 中常用的方法

add(E e):                     	  	在数组末尾添加元素

size():                           	数组中实际元素个数,并不是数组容量
 
add(int index, E e):    	  			在数组指定位置添加元素

clear():                          	将数组中元素清空

contains(E e):             	  		判断数组中是否含有某个元素

get(int index):             	  	返回数组指定位置的元素

indexOf(E e):              	  		返回数组指定元素第一次出现的位置

set(int index, E e):     	  		替换数组指定位置的值

remove(int index):     	 	  		移除数组指定位置的元素

remove(E e):              	  		移除数组中第一次出现的指定元素

addAll(Collection<? extends E> c):      	在数组末尾添加另一个数组 

addAll(int index, collection<? extends E> c):  在数组指定位置添加另一个数组 

removeAll(Collection<?>c):         		将数组中属于数组 c 中的元素全部删除

上述方法举例说明:

import java.util.ArrayList;
import java.util.Arrays;
 
 
public class ArrayListTest {
	class Human{
	}
	
	class Male extends Human{	
	}
	
	public static void main(String[] args) {
		ArrayList<Integer> list1=new ArrayList<Integer>();
		list1.add(1); // Appends the specified element to the end of this list
		list1.add(2);
		list1.add(3);
		System.out.println(list1.size());
		System.out.println(list1);
		
		list1.add(2,4); // Inserts the specified element at the specified position in this list
		System.out.println(list1);
		
		list1.clear(); // Removes all of the elements from this list
		System.out.println(list1);
		
		list1.add(5);
		ArrayList<Integer> list2=new ArrayList<Integer>();
		list2.add(1);
		list2.add(2);
		list2.add(3);
		list2.addAll(list1); // Appends all of the elements in the specified collection to the end of this list
		System.out.println(list2);
		
		System.out.println(list2.contains(5)); // Judge if this list contains the specified element
		System.out.println(list2.get(2)); // Returns the element at the specified position in this list
		System.out.println(list2.indexOf(5)); // Returns the index of the first occurrence of the specified element, or -1 if this list doesn't contain
		
		list2.set(2, 10); // Replaces the element at the specified position in this list with the specified element
		System.out.println(list2);
		
		list2.remove(2); // Removes the element at the specified position in this list
		System.out.println(list2); 
		list2.remove(Integer.valueOf(1)); // Removes the first occurrence of the specified element from this list, if it is present
		System.out.println(list2);
		list2.removeAll(Arrays.asList(5)); // Removes from this list all of its elements that are contained in the specified collection
	}
}

一、基本实现

❤️❤️❤️1、ArrayList和Vector使用了数组实现,可以认为它们封装了对内部数组的操作;它们两个底层的实现基本可以认为是一致的,主要的一点区别在于对多线程的支持上面。ArrayList没有对内部的方法做线程的同步,它不是线程安全的,而Vector内部做了线程同步,是线程安全的。

❤️❤️❤️2、LinkedList使用了双向链表数据结构,与基于数组实现的ArrayList和Vector相比,这是一种不同的实现方式,这也决定了他们不同的应用场景。LinkedList链表由一系列列表项构成,一个表项包含三个部分:元素内容、前驱表项和后驱表项,如下图所示

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在JDK的实现中,增加了两个节点指针first、last分别指向首尾节点

二、不同之处

我们拿经常使用ArrayList与LinkedList,以增加和删除元素,比较下不同之处

1、增加元素到列表尾端:

❤️在ArrayList中增加元素到列表尾端

  public boolean add(E e) {
        ensureCapacityInternal(size + 1);  // 确保内部数组有足够的空间
        elementData[size++] = e; //将元素加入到数组的末尾,完成添加
        return true;
    }

在这个过程当时,add的性能主要是由ensureCapacityInternal方法的实现,我们继续往下跟踪源码

 private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
        ensureExplicitCapacity(calculateCapacity(elementData, minCapacity));
    }

    private static int calculateCapacity(Object[] elementData, int minCapacity) {
        if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
            return Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
        }
        return minCapacity;
    }

    private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
        modCount++;

        // overflow-conscious code
        if (minCapacity - elementData.length > 0)
            grow(minCapacity);
    }

    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);
    }

calculateCapacity方法会根据你对ArrayList初始化的不同,对elmentData这个对象数组进行非空判断。如果它是一个空数组,则返回ArrayList默认容量和新容量比较的最大值,如果不为空则直接返回新容量。接下来在ensureExplicitCapacity方法中判断如果新容量大于elmentData对象数组的长度则调用grow方法对数组进行扩容。

在这里我们可以看到如果ArrayList容量满足需求时,add()其实就是直接对数组进行赋值,性能很高。而当ArraList容量无法满足要求扩容时,需要对之前的数组进行复制操作。因此合理的数组大小有助于减少数组的扩容次数,如果使用时能够预估ArrayList数组大小,并进行初始化,指定容量大小对性能会有所提升。

❤️在LinkedList中增加元素到列表尾端

 //尾端插入,即将节点值为e的节点设置为链表的尾节点
    void linkLast(E e) {
        final Node<E> l = last;
        //构建一个前驱prev值为l,节点值为e,后驱next值为null的新节点newNode
        final Node<E> newNode = new Node<>(l, e, null);
        //将newNode作为尾节点
        last = newNode;
        //如果原尾节点为null,即原链表为null,则链表首节点也设置为newNode
        if (l == null)
            first = newNode; 
        else  //否则,原尾节点的next设置为newNode
            l.next = newNode;
        size++;
        modCount++;
    }

LinkedList由于使用了链表结构,因此不需要维护容量的大小,这是相比ArrayList的优势。但每次元素的增加都需要新建一个node对象,并进行更多的赋值操作。在大数据量频繁的调用过程中,对性能会有所影响。

2、增加元素到任意位置:

void add(int index, E element)

由于实现上的不同,ArrayList和LinkedList在这个方法上存在存在一定的性能差异。由于ArrayList是基于数组实现的,而数组是一块连续的内存空间,如果在数组的任意位置插入元素,必然导致在该位置后的所有元素需要重新排列,因此效率会比较低。

❤️ArrayList代码实现如下:

public void add(int index, E element) {
        rangeCheckForAdd(index);

        ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
        //数组复制
        System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,
                         size - index);
        elementData[index] = element;
        size++;
    }

可以看到,ArrayList每次插入操作,都会进行一次数组复制。并且插入的元素在List中位置越靠前,数组重组的开销也越大。

❤️再看LinkedList代码实现

public void add(int index, E element) {
        checkPositionIndex(index);

        if (index == size)
            linkLast(element);
        else
            linkBefore(element, node(index));
    }

    Node<E> node(int index) {
        // assert isElementIndex(index);

        if (index < (size >> 1)) { //元素位于前半段
            Node<E> x = first;
            for (int i = 0; i < index; i++)
                x = x.next;
            return x;
        } else {  //元素位于后半段
            Node<E> x = last;
            for (int i = size - 1; i > index; i--)
                x = x.prev;
            return x;
        }
    }
void linkBefore(E e, Node<E> succ) {
    // assert succ != null;
    //指定节点的前驱prev
    final Node<E> pred = succ.prev;
    //当前节点的前驱为指点节点的前驱,后继为指定的节点
    final Node<E> newNode = new Node<>(pred, e, succ);
    //更新指定节点的前驱为当前节点
    succ.prev = newNode;
    //更新前驱节点的后继
    if (pred == null)
        first = newNode;
    else
        pred.next = newNode;
    size++;
    modCount++;
}

LinkedList中定位一个节点需要遍历链表,如果新增的位置处于List的前半段,则从前往后找;若其位置处于后半段,则从后往前找。因此指定操作元素的位置越靠前或这靠后,效率都是非常高效的。但如果位置越靠中间,需要遍历半个List,效率较低。因此LinkedList中定位一个节点需要遍历链表,所以下标有关的插入、删除时间复杂度都变为O(n) ;

3、删除任意位置元素

public E remove(int index) 

对ArrayList来说,remove()方法和add()方法是相同的,在删除指定位置元素后,都要对数组进行重组。代码如下

  public E remove(int index) {
        rangeCheck(index);

        modCount++;
        E oldValue = elementData(index);

        int numMoved = size - index - 1;
        if (numMoved > 0)
            //移动数组
            System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,
                             numMoved);
        elementData[--size] = null; // clear to let GC do its work

        return oldValue;
    }

可见,在进行一次有效删除后,都要进行数组的重组。并且跟add()指定位置的元素一样,删除元素的位置越靠前,重组时的开销就越大,删除的元素位置越靠后,开销越小

❤️再看LinkedList中代码的实现如下

 public E remove(int index) {
        checkElementIndex(index);
        return unlink(node(index));
    }

   Node<E> node(int index) {
        // assert isElementIndex(index);

        if (index < (size >> 1)) { //位置位于前半段
            Node<E> x = first;
            for (int i = 0; i < index; i++)
                x = x.next;
            return x;
        } else { //位置位于后半段
            Node<E> x = last;
            for (int i = size - 1; i > index; i--)
                x = x.prev;
            return x;
        }
    }

  E unlink(Node<E> x) {
    // assert x != null;
    final E element = x.item;
    final Node<E> next = x.next; //当前节点的后继
    final Node<E> prev = x.prev; //当前节点的前驱

    if (prev == null) {
        first = next;
    } else {
        prev.next = next; //更新前驱节点的后继为当前节点的后继
        x.prev = null;
    }

    if (next == null) {
        last = prev;
    } else {
        next.prev = prev; //更新后继节点的前驱为当前节点的前驱
        x.next = null;
    }

    x.item = null;
    size--;
    modCount++;
    return element;
} 

可见跟之前的插入任意位置一样,LinkedList中定位一个节点需要遍历链表,效率跟删除的元素的具体位置有关,所以删除任意位置元素时间复杂度也为O(n) ;

4、随机访问

 public E get(int index)

首先看ArrayList的实现代码如下

  public E get(int index) {
        rangeCheck(index);

        return elementData(index);
    }

    @SuppressWarnings("unchecked")
    E elementData(int index) {
        return (E) elementData[index];
    }

可见ArrayList随机访问是直接读取数组第几个下标,效率很高。
LinkedList实现代码如下

public E get(int index) {
        checkElementIndex(index);
        return node(index).item;
    }

    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;
        }
    }

相反LinkedList随机访问,每次都需要遍历半个List确定元素位置,效率较低。

优雅的去除list外层两端的 [ ],直接显示列表内容

[1,2,3,4,5,6]
StringUtils.strip(list.toString(), "[]")
1,2,3,4,5,6

结论

通过比较与分析ArrayList与LinkList两种不同实现的的List的功能代码后,我个人感觉两种List的具体使用真的要看实际的业务场景,有些具体的功能如新增删除等操作根据实际情况,效率不可一概而论。在这里进行简单的分析只是为了个人加强理解,如有其它见解 欢迎交流意见。