Java 容器之 List

Y雨何时停T2025-03-03 18:09

在 Java 的集合框架中，List 是 Collection 的重要子接口，以其有序、可重复的特点广泛应用于开发中。本文将详细探讨 List 的核心概念、主要实现类（如 ArrayList 和 LinkedList）的底层原理，以及使用中需要注意的常见问题。

List 简介

List 是一个接口，继承自 Collection，代表一个有序队列 ，允许元素重复。其核心特点是按照插入顺序存储元素，并支持通过索引快速访问。List 的抽象实现包括：

  • AbstractList ：继承自 AbstractCollection，实现了 List 接口的大部分方法（除 size() 和 get(int) 外），为具体实现类提供基础支持。
  • AbstractSequentialList ：继承自 AbstractList，专注于链表操作，实现了基于索引的全部功能，适合顺序访问的场景。

常见的 List 实现类包括 ArrayList、LinkedList、Vector 和 Stack，其中 ArrayList 和 LinkedList 是日常开发中最常用的两种。

ArrayList 和 LinkedList

  • ArrayList：

    • 基于动态数组实现，容量有限，超出时自动扩容（默认初始容量为 10，扩容为原大小的 1.5 倍）。
    • 随机访问快（时间复杂度 O(1)），但插入和删除较慢（受位置影响，可能需要移动大量元素）。
    • 非线程安全。

  • LinkedList：

    • 基于双向链表实现，无容量限制。
    • 插入和删除快（头尾操作 O(1)，中间操作 O(n)），但随机访问慢（需遍历，O(n)）。
    • 非线程安全。

Vector 和 Stack

  • Vector ：与 ArrayList 类似，但通过 synchronized 方法实现线程安全，适用于并发场景。
  • Stack ：继承自 Vector，通过同步方法实现栈功能（LIFO，后进先出），也是线程安全的。

ArrayList 详解

基本特性

ArrayList 是基于动态数组的实现，其定义如下：

java 复制代码 
public class ArrayList<E> extends AbstractList<E>
        implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable
  • 实现 List 接口，支持所有列表操作。
  • 实现 RandomAccess 接口，支持快速随机访问。
  • 实现 Cloneable 和 Serializable，支持浅拷贝和序列化。
  • 非线程安全。

数据结构

ArrayList 的核心字段包括：

java 复制代码 
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10; // 默认初始容量
transient Object[] elementData; // 存储元素的数组
private int size; // 当前元素个数
  • elementData：Object[] 数组，实际存储元素，支持随机访问。
  • size：记录当前元素数量，默认初始容量为 10，超出时扩容。

构造方法

ArrayList 提供三种构造方式：

java 复制代码 
public ArrayList() { // 默认构造，初始化空数组
    this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
}

public ArrayList(int initialCapacity) { // 指定初始容量
    if (initialCapacity > 0) {
        this.elementData = new Object[initialCapacity];
    } else if (initialCapacity == 0) {
        this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
    } else {
        throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: " + initialCapacity);
    }
}

建议：初始化时指定容量，避免频繁扩容带来的性能开销。

扩容机制

添加元素时，若容量不足，ArrayList 会调用 grow() 方法扩容：

java 复制代码 
private void grow(int minCapacity) {
    int oldCapacity = elementData.length;
    int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1); // 扩容为 1.5 倍
    if (newCapacity - minCapacity < 0) newCapacity = minCapacity;
    elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity); // 数组复制
}

扩容涉及数组复制，性能开销较大，因此合理设置初始容量非常重要。

操作效率

  • 访问 ：get(int index) 通过数组下标直接访问，时间复杂度 O(1)。
  • 添加 ：
    • add(E e)（尾部添加）：若无需扩容，O(1)；若扩容，O(n)。
    • add(int index, E element)（指定位置）：需移动后续元素，O(n)。
  • 删除 ：remove(int index) 需移动后续元素，O(n)，位置越靠前开销越大。

Fail-Fast 机制

ArrayList 使用 modCount 记录结构变更次数（增删操作或扩容）。迭代或序列化时，若 modCount 变化，则抛出 ConcurrentModificationException，这就是 fail-fast 机制。

LinkedList 详解

基本特性

LinkedList 基于双向链表实现，其定义如下：

java 复制代码 
public class LinkedList<E>
    extends AbstractSequentialList<E>
    implements List<E>, Deque<E>, Cloneable, java.io.Serializable
  • 实现 List 和 Deque，可用作列表、队列或栈。
  • 支持浅拷贝和序列化。
  • 非线程安全。

数据结构

LinkedList 使用双向链表，核心字段包括：

java 复制代码 
transient int size = 0; // 节点数
transient Node<E> first; // 头节点
transient Node<E> last; // 尾节点

private static class Node<E> { // 节点定义
    E item; // 数据
    Node<E> next; // 后继
    Node<E> prev; // 前驱
    ...
}

操作效率

  • 访问 ：get(int index) 需从头或尾遍历至目标位置，O(n)。建议使用迭代器遍历。
  • 添加 ：
    • addFirst(E e)、addLast(E e)：头尾操作，O(1)。
    • add(int index, E element)：需定位，O(n)。
  • 删除 ：remove(Object o) 或 remove(int index) 需遍历定位，O(n)，但调整指针开销为 O(1)。

序列化

与 ArrayList 类似，LinkedList 使用 transient 修饰字段，并重写 writeObject 和 readObject，仅序列化有效节点。

ArrayList vs. LinkedList

特性 ArrayList LinkedList
线程安全 否 否
底层结构 动态数组 (Object[]) 双向链表
随机访问 O(1)，支持 RandomAccess O(n)，不支持
插入/删除 尾部 O(1)，其他 O(n) 头尾 O(1)，其他 O(n)
内存占用 预留空间浪费 每个节点存储指针，占用更多

使用建议 ：ArrayList 适用于随机访问频繁的场景；LinkedList 适合频繁头尾操作的场景。但实际开发中，ArrayList 通常更常用，甚至 LinkedList 作者 Josh Bloch 也表示很少使用它。

List 使用中的常见问题

Arrays.asList 的陷阱

问题 1：基本类型数组转换异常
java 复制代码 
int[] arr = {1, 2, 3};
List list = Arrays.asList(arr);
// 输出: [[I@...], size=1

Arrays.asList 将 int[] 视为单一对象，而非元素集合。解决方法：

  • 使用 Arrays.stream（Java 8+）：

    java 复制代码 
    List<Integer> list = Arrays.stream(arr).boxed().collect(Collectors.toList());

  • 使用包装类型数组：

    java 复制代码 
    Integer[] arr = {1, 2, 3};
List<Integer> list = Arrays.asList(arr);
问题 2：不支持增删操作

Arrays.asList 返回的 List 是 Arrays 内部类 ArrayList，未实现 add 和 remove，调用时抛出 UnsupportedOperationException。

问题 3：原始数组修改影响 List
java 复制代码 
String[] arr = {"1", "2", "3"};
List<String> list = Arrays.asList(arr);
arr[1] = "4"; // list 同步变为 ["1", "4", "3"]

解决方法 ：新建 ArrayList 包装：

java 复制代码 
List<String> list = new ArrayList<>(Arrays.asList(arr));

List.subList 的陷阱

subList 返回的子列表与原列表共享存储，修改一方会影响另一方，且原列表结构变更可能导致 ConcurrentModificationException。

示例：内存泄漏
java 复制代码 
List<Integer> rawList = IntStream.rangeClosed(1, 100000).boxed().collect(Collectors.toList());
List<Integer> subList = rawList.subList(0, 1);
// rawList 无法被 GC 回收

解决方法：新建独立列表：

java 复制代码 
List<Integer> subList = new ArrayList<>(rawList.subList(0, 1));
示例：并发修改异常
java 复制代码 
List<Integer> list = IntStream.rangeClosed(1, 10).boxed().collect(Collectors.toList());
List<Integer> subList = list.subList(1, 4);
list.add(0); // 修改原列表
subList.forEach(System.out::println); // 抛出 ConcurrentModificationException

解决方法：

  • 使用 new ArrayList<>(subList)。

  • 使用 Stream API：

    java 复制代码 
    List<Integer> subList = list.stream().skip(1).limit(3).collect(Collectors.toList());

总结

List 作为 Java 集合框架的重要组成部分，其实现类 ArrayList 和 LinkedList 各有优劣，开发者需根据场景选择合适的实现。同时，使用 Arrays.asList 和 subList 时需注意其潜在问题，避免踩坑。通过深入理解其底层原理和特性，我们可以更高效地编写健壮代码。

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