Wend看源码-Java-集合学习(List)

摘要

本篇文章深入探讨了基于JDK 21版本的Java.util包中提供的多样化集合类型。在Java中集合共分类为三种数据结构：List、Set和Queue。本文将详细阐述这些数据类型的各自实现，并按照线程安全性进行分类，分别介绍非线程安全与线程安全的实现方式。接下来，我们将逐一探究这些集合类型的细节和应用。

Collection

图 1 基本集合类图

如图1 所示，jdk21 的基本集合类型共包含了三个类，分别是Collection 接口、SequencedCollection 接口和 AbstractCollection 抽象类。

Collection

Collection 接口是 Java 集合框架中的根接口，它定义了集合的基本操作和属性。所有其他集合类型，如 List、Set 和 Queue，都继承自 Collection 接口。

主要功能：
- 添加元素：add(E e)、addAll(Collection<? extends E> c)
- 删除元素：remove(Object o)、removeAll(Collection<?> c)、clear()
- 检查元素：contains(Object o)、containsAll(Collection<?> c)
- 获取大小：size()
- 迭代元素：iterator()
- 转换为数组：toArray()

SequencedCollection

SequencedCollection在Jdk21中被引入，作为集合框架的拓展。这个接口扩展了 Collection 接口，并添加了与顺序相关的方法，允许元素按照特定的顺序进行迭代。

主要功能：
- 保持插入顺序：SequencedCollection 保证元素的迭代顺序与它们被添加到集合中的顺序相同。
- 提供顺序相关操作：例如，first() 和 last() 方法可以分别返回集合中的第一个和最后一个元素。
主要方法：
- default void addFirst(E e)：实现是调用 add(0, e)，将元素添加到列表头部，存在 null 相关以及不支持操作时的异常情况。
- default void addLast(E e)：实现是调用 add(e)，将元素添加到列表尾部，同样有相应异常情况。
- default E getFirst()：若列表不为空返回 get(0) 的结果，否则抛出 NoSuchElementException。
- default E getLast()：若列表不为空返回 get(size() - 1) 的结果，否则抛出 NoSuchElementException。
- default E removeFirst()：若列表不为空返回 remove(0) 的结果，否则抛出 NoSuchElementException，也存在不支持操作时的异常情况。
- default E removeLast()：若列表不为空返回 remove(size() - 1) 的结果，否则抛出 NoSuchElementException，同样有不支持操作时的异常情况。
- default List<E> reversed()：返回列表的逆序视图，以 List 形式呈现，委托原列表进行操作。

AbstractCollection

AbstractCollection 类是一个抽象类，提供了 Collection 接口的基本实现。这个类旨在简化实现自定义集合类型的过程，因为它实现了 Collection 接口中的大多数方法，只留下 iterator() 和 size() 方法需要子类去实现。

主要特点：
- 作为自定义集合类型的基类：通过继承 AbstractCollection，可以减少实现一个集合类型所需的工作量。
- 提供了实用方法：比如 addAll()、removeAll()、containsAll() 等，这些方法在许多集合类型中是通用的。

在使用 AbstractCollection 时，子类必须实现以下两个方法：

iterator(): 返回一个迭代器，用于遍历集合中的元素。
size(): 返回集合中元素的数量。

List 集合

图2 java-list类型数据结构类图

List 接口

如图2 所示，List 接口继承SequencedCollection接口，所有的List 拓展数据类型均需要实现List 接口。以下是关于List 接口的重要方法总结。

size：返回列表中元素的数量，如果元素数量超过 Integer.MAX_VALUE，则返回 Integer.MAX_VALUE。
isEmpty：若列表不包含任何元素，则返回 true，反之返回 false。
contains：判断列表中是否包含指定元素，若存在至少一个元素 e 使得 Objects.equals(o, e) 成立，则返回 true，否则返回 false。不过在元素类型不兼容或指定元素为 null （列表不允许 null 元素时）会抛出相应异常。
iterator：返回按正确顺序遍历列表元素的迭代器。
toArray：返回一个包含列表所有元素的数组（按从第一个到最后一个元素的顺序），返回的数组与列表没有引用关联，调用者可自由修改该数组，起到了数组和集合 API 之间的桥梁作用。
get：返回列表中指定位置的元素，若索引越界则抛出异常。
set：用指定元素替换列表中指定位置的元素，返回被替换的原来的元素，在不支持替换操作、元素类型不允许、元素为 null （列表不允许时）、元素属性不符合要求、索引越界等情况下会抛异常。
add：将指定元素追加到列表末尾，不同列表实现可能对添加元素有限制，在不支持添加操作、元素类型不允许、元素为 null （列表不允许时）或元素自身属性不符合要求等情况下会抛出相应异常。
remove：若列表中存在指定元素，则移除其第一次出现的位置对应的元素，若列表不包含该元素则列表不变，移除成功返回 true，否则返回 false，同样在元素类型不兼容或指定元素为 null （列表不允许 null 元素时）会抛出异常，并且若不支持移除操作也会抛异常。
containsAll：判断列表是否包含指定集合中的所有元素，在元素类型不兼容、指定集合包含 null 元素（列表不允许时）或集合本身为 null 等情况下会抛异常。
addAll：将指定集合中的所有元素按其迭代器返回的顺序追加到列表末尾，若在操作过程中指定集合被修改则行为未定义，在不支持添加操作、元素类型不允许、集合包含 null 元素（列表不允许时）或元素自身属性不符合要求等情况会抛异常。
removeAll：从列表中移除所有包含在指定集合中的元素，在不支持移除操作、元素类型不兼容、列表含 null 元素（指定集合不允许时）或集合为 null 等情况会抛异常。
replaceAll：使用给定操作符对列表的每个元素进行替换，若列表不可修改、操作符为 null 或者操作结果为 null （列表不允许 null 元素时）会抛异常。
sort：根据指定的比较器对列表进行排序，排序是稳定的，要求列表元素能用指定比较器相互比较，在比较出现类型不兼容、列表迭代器不支持 set 操作、比较器违反相关约定等情况下会抛异常。
clear：移除列表中的所有元素，若不支持该清除操作则会抛出异常。
indexOf：返回指定元素在列表中第一次出现的索引，如果列表不包含该元素则返回 -1，在元素类型不兼容或指定元素为 null （列表不允许 null 元素时）会抛异常。
lastIndexOf：返回指定元素在列表中最后一次出现的索引，如果列表不包含该元素则返回 -1，同样在元素类型不兼容或指定元素为 null （列表不允许 null 元素时）会抛异常。
subList：返回列表中指定范围（含 fromIndex，不含 toIndex）的视图，返回的列表由原列表支持，两者的非结构性变化会相互影响，若原列表进行了非通过返回列表的结构性修改则语义会未定义，端点索引值非法时抛出异常。
spliterator()：创建一个用于遍历列表元素的分割迭代器，有不同的创建逻辑取决于列表是否是 RandomAccess 等情况，并且默认实现额外报告了一些特性。
of：返回一个包含X个元素的不可修改列表，从 Java 9 起可用。
copyOf：返回一个包含给定集合元素的不可修改列表（按集合迭代顺序），集合不能为 null 且不能包含 null 元素，从 Java 10 起可用，若给定集合本身是不可修改列表，通常不会创建副本。

AbstractList

AbstractList是一个抽象类，它实现了List接口的大部分方法，为具体的列表实现类提供了一个基础框架。通过继承AbstractList，开发人员可以更方便地创建自定义的列表类，只需关注需要特殊实现的方法即可。

AbstractSequentialList

该类主要侧重于顺序访问元素的列表实现。与AbstractList（更侧重于随机访问列表）不同，AbstractSequentialList假定列表的访问通常是顺序进行的，例如通过迭代器逐个元素地访问，而不是通过索引进行随机访问。

ArrayList

ArrayList是基于数组实现的动态列表，它是Java集合框架中最常用的列表类之一。可以存储任意类型的对象，并且能够自动调整大小以适应元素的添加和删除。

主要特点
- 随机访问高效：由于其内部是基于数组实现的，所以支持快速的随机访问。通过索引访问元素的时间复杂度为。例如，使用get(int index)方法获取指定索引位置的元素非常高效。
- 动态扩容：当添加元素时，如果数组已满，ArrayList会自动创建一个更大的新数组，并将原有元素复制到新数组中。例如，初始容量为 10，当添加第 11 个元素时，会创建一个新的更大的数组来存储元素。
- 顺序存储：元素在内存中是顺序存储的，这使得遍历元素比较高效。可以使用普通的for循环或者增强型for循环来遍历ArrayList中的元素。
适用场景
- 适用于需要频繁进行随机访问和遍历操作的场景。比如，在数据查询较多而插入和删除操作相对较少的情况下，如存储用户信息列表，在需要根据用户 ID（假设用户 ID 是列表索引）快速获取用户信息时，ArrayList是一个很好的选择。

LinkedList

LinkedList是一个双向链表实现的列表，它实现了List接口，同时也实现了Deque接口，因此可以作为队列、双端队列和栈来使用。

主要特点
- 高效的插入和删除操作（非随机访问）：在链表中插入和删除元素的操作比较高效。例如，在链表中间插入一个元素，只需要修改相邻节点的引用即可，时间复杂度为（不考虑查找插入位置的时间）。
- 双端操作支持：作为双端队列，它提供了在头部和尾部添加、删除元素的方法，如addFirst()、addLast()、removeFirst()、removeLast()等，方便在两端进行操作。
- 顺序访问特性：遍历链表需要从头部或尾部开始，逐个节点访问，不支持像ArrayList那样的随机访问。通过迭代器或者for循环遍历链表的时间复杂度为，其中n是链表的长度。
适用场景
- 适用于需要频繁进行插入和删除操作，特别是在列表两端进行操作的场景。例如，在实现一个任务队列时，新任务可以添加到队列尾部，而当任务完成时可以从队列头部移除任务，LinkedList可以很好地满足这种需求。

线程安全的List

Vector （Deprecated）

Vector 是Java 早期线程安全的List 实现。Vector的方法都被synchronized关键字修饰，在多线程环境下可以保证数据的一致性和完整性，同一时刻只有一个线程能够访问和修改Vector中的元素。在现代的java开发中，更推荐使用java.util.concurrent包中的数据结构和方法来实现线程安全的List集合。

Stack (Deprecated)

Stack类是基于Vector实现的后进先出（LIFO）的数据结构，它继承自Vector，并在Vector的基础上提供了专门用于栈操作的方法。不过，在 Java 6 之后，推荐使用Deque接口及其实现类（如ArrayDeque）来实现栈的功能，因为它们提供了更简洁和一致的栈操作方法。

CopyOnWriteArrayList

CopyOnWriteArrayList是java.util.concurrent包中的一个类，它实现了List接口，用于在多线程环境下提供线程安全的列表操作。其核心原理是 “写时复制”（Copy - On - Write）。

当对列表进行修改操作（如添加、删除或设置元素）时，它会先复制一份当前的数组（底层存储结构是数组），然后在这个新的副本数组上进行修改操作。修改完成后，再将内部的数组引用指向新的数组。而读取操作是在原始数组上进行的，不需要进行加锁操作，这样就可以实现高并发的读操作。

线程安全特性

并发读操作的高效性：在多个线程同时读取CopyOnWriteArrayList中的元素时，由于读操作不需要加锁，所以可以同时进行，大大提高了读取的效率。例如，在一个多线程的 Web 服务器中，多个线程可能需要同时读取配置信息列表，CopyOnWriteArrayList可以很好地支持这种高并发的读取场景。
写操作的线程安全保证：在进行写操作时，虽然会涉及到数组的复制和修改，但通过这种 “写时复制” 机制，保证了同一时刻只有一个写操作在进行，避免了多个线程同时修改数据而导致的数据不一致问题。例如，当一个线程在添加元素时，其他线程要么在读取原始数组（此时还未更新引用），要么在等待当前写操作完成后再进行自己的操作。

适用场景

读多写少的场景：因为读操作不需要加锁，所以在读取操作远远多于写入操作的情况下，CopyOnWriteArrayList能够提供很好的性能。比如，在一个系统中，配置信息列表被多个线程频繁读取，但很少被修改，使用CopyOnWriteArrayList就非常合适。
遍历操作的稳定性需求场景：在遍历列表的过程中，如果不希望受到其他线程修改操作的影响，CopyOnWriteArrayList是一个不错的选择。因为遍历是在原始数组上进行的，即使其他线程正在进行写操作，也不会干扰当前的遍历操作，保证了遍历数据的稳定性。

局限性

内存占用：由于写操作需要复制数组，这可能会导致内存占用较大。如果列表中的元素数量很大，每次写操作的复制成本就会很高。例如，一个包含大量数据的列表频繁进行写操作，会消耗大量的内存来存储复制后的数组。
数据实时性稍差：因为读取操作是基于原始数组的，在写操作完成之前，读取的可能是旧的数据。对于对数据实时性要求极高的场景，可能不太适用。比如，在一个实时数据处理系统中，要求数据修改后能立即被读取到最新值，CopyOnWriteArrayList可能无法满足这种需求。