一、容器之List集合
List集合體系應該是日常開發中最常用的API，而且通常是作為面試壓軸問題（JVM、集合、並發），集合這塊代碼的整體設計也是融合很多編程思想，對於程序員來說具有很高的參考和借鑒價值。
基本要點
- 基礎：元素增查刪、容器信息；
- 進階：存儲結構、容量管理；
API體系
- ArrayList：維護數組實現，查詢快；
- Vector：維護數組實現，線程安全；
- LinkedList：維護鏈表實現，增刪快；
核心特性包括：初始化與加載，元素管理，自動擴容，數組和鏈表兩種數據結構。Vector底層基於ArrayList實現的線程安全操作，而ArrayList與LinkedList屬於非線程安全操作，自然效率相比Vector會高，這個是通過源碼閱讀可以發現的特點。
二、ArrayList詳解
1、數組特點
ArrayList就是集合體系中List接口的具體實現類，底層維護Object數組來進行裝載和管理數據：
private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};
提到數組結構，潛意識的就是基於元素對應的索引查詢，所以速度快，如果刪除元素，可能會導致大量元素移動，所以相對於LinkedList效率較低。
數組存儲的機制：
數組屬於是緊湊連續型存儲，通過下標索引可以隨機訪問並快速找到對應元素，因為有預先開辟內存空間的機制，所以相對節約存儲空間，如果數組一旦需要擴容，則重新開辟一塊更大的內存空間，再把數據全部復制過去，效率會非常的低下。
2、構造方法
這里主要看兩個構造方法：
無參構造器：初始化ArrayList，聲明一個空數組。
public ArrayList() {
this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
}
有參構造器：傳入容量參數大於0，則設置數組的長度。
public ArrayList(int initialCapacity) {
if (initialCapacity > 0) {
this.elementData = new Object[initialCapacity];
} else if (initialCapacity == 0) {
this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
} else {
throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+initialCapacity);
}
}
如果沒通過構造方法指定數組長度，則采用默認數組長度，在添加元素的操作中會設置數組容量。
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
3、裝載數據
通過上面的分析，可以知道數組是有容量限制的，但是ArrayList卻可以一直裝載元素，當然也是有邊界值的，只是通常不會裝載那么多元素：
private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;
超過這個限制會拋出內存溢出的錯誤。
裝載元素：會判斷容量是否足夠；
public boolean add(E e) {
ensureCapacityInternal(size + 1);
elementData[size++] = e;
return true;
}
當容量不夠時，會進行擴容操作，這里貼量化關鍵源碼：
private void grow(int minCapacity) {
int oldCapacity = elementData.length;
int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
}
機制：計算新容量(newCapacity=15)，拷貝一個新數組，設置容量為newCapacity。
指定位置添加：這個方法很少使用到，同樣看兩行關鍵代碼；
public void add(int index, E element) {
ensureCapacityInternal(size + 1);
System.arraycopy(elementData, index,elementData,index+1,size-index);
elementData[index] = element;
size++;
}
機制：判斷數組容量，然后就是很直接的一個數組拷貝操作，簡單來個圖解：
如上圖，假設在index=1位置放入元素E，按照如下過程運行：
- 獲取數組index到結束位置的長度；
- 拷貝到index+1的位置；
- 原來index位置，放入element元素；
這個過程就好比排隊，如果在首位插入一位，即后面的全部后退一位，效率自然低下，當然這里也並不是絕對的，如果移動的數組長度夠小，或者一直在末尾添加，效率的影響自然就降低很多。
4、移除數據
上面看的數據裝載，那與之相反的邏輯再看一下，依舊看幾行關鍵源碼：
public E remove(int index) {
E oldValue = elementData(index);
int numMoved = size - index - 1;
if (numMoved > 0) {
System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index, numMoved);
}
elementData[--size] = null;
return oldValue;
}
機制：從邏輯上看，與添加元素的機制差不多，即把添加位置之后的元素拷貝到index開始的位置，這個邏輯在排隊中好比前面離開一位，后面的隊列整體都前進一位。
其效率問題也是一樣，如果移除集合的首位元素，后面所有元素都要移動，移除元素的位置越靠后，效率影響就相對降低。
5、容量與數量
在集合的源碼中，有兩個關鍵字段需要明確一下：
- capacity：集合的容量，裝載能力；
- size：容器中裝載元素的個數；
通常容器大小獲取的是size，即裝載元素個數，不斷裝載元素觸發擴容機制，capacity容量才會改變。
三、LinkedList詳解
1、鏈表結構特點
鏈表結構存儲在物理單元上非連續、非順序，節點元素間的邏輯順序是通過鏈表中的指針鏈接次序實現的。鏈表由一系列節點組成，節點可以在運行時動態生成，節點包括兩個部分：一個是存儲數據元素的數據域，另一個是存儲下一個結點地址的指針域。
特點描述
- 物理存儲上是無序且不連續的；
- 鏈表是由多個節點以鏈式結構組成；
- 邏輯層面上看形成一個有序的鏈路結構；
- 首節點沒有指向上個節點的地址；
- 尾節點沒有指向下個節點的地址；
鏈表結構解決數組存儲需要預先知道元素個數的缺陷，可以充分利用內存空間，實現靈活的內存動態管理。
2、LinkedList結構
LinkedList底層數據存儲結構正是基於鏈表實現，首先看下節點的描述：
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;
}
}
在LinkedList中定義靜態類Node描述節點的結構：元素、前后指針。在LinkedList類中定義三個核心變量：
transient int size = 0;
transient Node<E> first;
transient Node<E> last;
即大小，首位節點，關於這個三個變量的描述在源碼的注釋上已經寫的非常清楚了：
首節點上個節點為null，尾節點下個節點為null，並且item不為null。
3、元素管理
LinkedList一大特點即元素增加和刪除的效率高，根據鏈表的結構特點來看源碼。
添加元素
通過源碼可以看到，添加元素時實際調用的是該方法，把新添加的元素放在原鏈表最后一位：
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++;
}
結合Node類的構造方法，實際的操作如下圖：
核心的邏輯即：新的尾節點和舊的尾節點構建指針關系，並處理首位節點變量。
刪除元素
刪除元素可以根據元素對象或者元素index刪除，最后核心都是執行unlink方法：
E unlink(Node<E> x) {
final E element = x.item;
final Node<E> next = x.next;
final Node<E> prev = x.prev;
if (prev == null) {
first = next;
} else {
prev.next = next;
x.prev = null;
}
if (next == null) {
last = prev;
} else {
next.prev = prev;
x.next = null;
}
x.item = null;
size--;
modCount++;
return element;
}
與添加元素核心邏輯相似，也是一個重新構建節點指針的過程：
- 兩個if判斷是否刪除的是首位節點；
- 刪除節點的上個節點的next指向刪除節點的next節點；
- 刪除節點的下個節點的prev指向刪除節點的prev節點；
通過增刪方法的源碼分析，可以看到LinkedList對元素的增刪並不會涉及大規模的元素移動，影響的節點非常少，效率自然相對ArrayList高很多。
4、查詢方法
基於鏈表結構存儲而非數組，對元素查詢的效率會有很大影響，先看源碼：
public E get(int index) {
checkElementIndex(index);
return node(index).item;
}
Node<E> node(int 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;
}
}
這段源碼結合LinkedList結構看，真的是極具策略性：
- 首先是對index的合法性校驗；
- 然后判斷index在鏈表的上半段還是下半段；
- 如果在鏈表上半段：從first節點順序遍歷；
- 如果在鏈表下半段：從last節點倒序遍歷；
通過上面的源碼可以看到，查詢LinkedList中靠中間位置的元素，需要執行的遍歷的次數越多，效率也就越低，所以LinkedList相對更適合查詢首位元素。
四、源代碼地址
GitHub·地址
https://github.com/cicadasmile/java-base-parent
GitEE·地址
https://gitee.com/cicadasmile/java-base-parent
閱讀標簽
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