前言

Java是一種廣泛應(yīng)用的編程語言，被廣泛應(yīng)用于各種平臺和應(yīng)用領(lǐng)域。List接口是Java中最重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)之一，它為我們提供了一種靈活、高效、可擴(kuò)展的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

當(dāng)我們使用List接口時，我們經(jīng)常需要了解它的底層實(shí)現(xiàn)原理，以便對其進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)試。因此，本篇文章將深入研究Java中List接口的底層實(shí)現(xiàn)原理，幫助讀者更好地理解List接口的使用和優(yōu)化。

摘要

本篇文章將首先介紹Java中List接口的基本特性和使用方法，然后深入研究List接口的底層實(shí)現(xiàn)原理，包括ArrayList和LinkedList兩種實(shí)現(xiàn)方式。接著，我們將討論List接口的應(yīng)用場景和優(yōu)缺點(diǎn)，并提供一些常用的測試用例和總結(jié)。

List

概述

List是Java中最常用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)之一。它提供了一種有序集合，可以按照添加的順序進(jìn)行訪問，并且允許重復(fù)元素。

Java中的List接口是一個標(biāo)準(zhǔn)接口，定義了一系列方法，可以用于訪問和操作List中的數(shù)據(jù)。List接口有多種實(shí)現(xiàn)方法，每種實(shí)現(xiàn)方法都有不同的優(yōu)缺點(diǎn)。

在下面的章節(jié)中，我們將重點(diǎn)講解Java中List接口的兩種主要實(shí)現(xiàn)方式：ArrayList和LinkedList。

源代碼解析

ArrayList

ArrayList是Java中常用的數(shù)組實(shí)現(xiàn)方式。它使用一個數(shù)組來保存List中的元素，支持動態(tài)擴(kuò)展。

ArrayList的源代碼可以在Java SDK中的java.util包中找到，其主要方法包括：

public boolean add(E e);
public E get(int index);
public int size();
public boolean isEmpty();
public boolean contains(Object o);
public int indexOf(Object o);
public E remove(int index);
public E set(int index, E element);

這些方法可以用于添加、獲取、刪除和修改List中的元素。

在ArrayList中，數(shù)組的默認(rèn)大小為10，當(dāng)元素個數(shù)超出數(shù)組大小時，會自動擴(kuò)展數(shù)組的容量，以便可以繼續(xù)添加元素。例如：

List<Integer> list = new ArrayList<>();
for (int i = 0; i < 100; i++) {
    list.add(i);
}

在上面的例子中，我們用ArrayList保存了100個整數(shù)。由于ArrayList會自動擴(kuò)展數(shù)組的大小，我們可以在不知道元素個數(shù)的情況下，隨意添加元素。

如下是部分源碼截圖：

LinkedList

LinkedList是Java中另一種常用的List實(shí)現(xiàn)方式。它使用一個雙向鏈表來保存List中的元素。每個元素節(jié)點(diǎn)都包含一個指向前一個元素和后一個元素的指針。

LinkedList的源代碼可以在Java SDK中的java.util包中找到，其主要方法包括：

public boolean add(E e);
public E get(int index);
public int size();
public boolean isEmpty();
public boolean contains(Object o);
public int indexOf(Object o);
public E remove(int index);
public E set(int index, E element);
public void addFirst(E e);
public void addLast(E e);
public E getFirst();
public E getLast();
public E removeFirst();
public E removeLast();

LinkedList的節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如下所示：

   +------+    +------+    +------+  
--->| prev |<---| data |--->| next |---
   +------+    +------+    +------+

在LinkedList中，每個節(jié)點(diǎn)包含一個數(shù)據(jù)項(xiàng)和兩個指針，一個指向前一個元素，一個指向后一個元素。這種雙向鏈表的結(jié)構(gòu)，使得LinkedList可以支持快速添加和刪除元素。

下面的代碼演示了如何使用LinkedList：

List<Integer> list = new LinkedList<>();
for (int i = 0; i < 100; i++) {
    list.add(i);
}

在上面的例子中，我們同樣用LinkedList保存了100個整數(shù)。由于LinkedList使用鏈表結(jié)構(gòu)，它可以快速添加和刪除元素，因此在某些場景下，它可能比ArrayList更加適用。

如下是部分源碼截圖：

應(yīng)用場景案例

List接口的應(yīng)用場景非常廣泛，可以用于各種數(shù)據(jù)處理和存儲場景。

ArrayList

ArrayList適用于需要在List中快速訪問元素的場景。由于ArrayList使用數(shù)組來存儲元素，可以通過下標(biāo)訪問和修改元素，因此在需要頻繁讀取和修改List中元素的場景中，ArrayList是一種很好的選擇。

另外，由于ArrayList支持動態(tài)擴(kuò)展數(shù)組大小，因此在不知道元素個數(shù)的情況下，也可以用ArrayList來保存元素。

LinkedList

LinkedList適用于需要在List中快速添加和刪除元素的場景。由于LinkedList使用鏈表結(jié)構(gòu)來存儲元素，可以快速添加和刪除元素，因此在需要頻繁添加和刪除元素的場景中，LinkedList是一種很好的選擇。

另外，由于LinkedList支持在鏈表頭和尾部添加和刪除元素的方法，因此在需要快速訪問第一個和最后一個元素的場景中，LinkedList也是一種很好的選擇。

優(yōu)缺點(diǎn)分析

ArrayList

優(yōu)點(diǎn)：

• 由于ArrayList使用數(shù)組來存儲元素，可以通過下標(biāo)訪問和修改元素。因此在需要頻繁讀取和修改List中元素的場景中，ArrayList是一種很好的選擇。
• ArrayList支持動態(tài)擴(kuò)展數(shù)組大小，因此在不知道元素個數(shù)的情況下，也可以用ArrayList來保存元素。

缺點(diǎn)：

• 當(dāng)元素個數(shù)超過數(shù)組大小時，ArrayList會自動擴(kuò)展數(shù)組的容量，這會導(dǎo)致一定的性能損失。
• 由于數(shù)組在內(nèi)存中是連續(xù)的，因此在插入和刪除元素時，需要移動數(shù)組中的其他元素，這會導(dǎo)致一定的時間復(fù)雜度。

LinkedList

優(yōu)點(diǎn)：

• 由于LinkedList使用鏈表結(jié)構(gòu)來存儲元素，可以快速添加和刪除元素。因此在需要頻繁添加和刪除元素的場景中，LinkedList是一種很好的選擇。
• LinkedList支持在鏈表頭和尾部添加和刪除元素的方法，因此在需要快速訪問第一個和最后一個元素的場景中，LinkedList也是一種很好的選擇。

缺點(diǎn)：

• 由于LinkedList使用鏈表結(jié)構(gòu)來存儲元素，無法通過下標(biāo)訪問和修改元素。因此在需要頻繁讀取和修改元素的場景中，LinkedList可能不是最優(yōu)選擇。
• 在需要訪問中間元素時，LinkedList的訪問性能較差，因?yàn)樾枰獜逆湵眍^或尾遍歷到目標(biāo)元素。

類代碼方法介紹

ArrayList

public class ArrayList<E> extends AbstractList<E>
        implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable {
    public ArrayList();
    public ArrayList(int initialCapacity);
    public ArrayList(Collection<? extends E> c);
    public void trimToSize();
    public void ensureCapacity(int minCapacity);
    public int size();
    public boolean isEmpty();
    public boolean contains(Object o);
    public int indexOf(Object o);
    public int lastIndexOf(Object o);
    public Object clone();
    public Object[] toArray();
    public <T> T[] toArray(T[] a);
    public E get(int index);
    public E set(int index, E element);
    public boolean add(E e);
    public void add(int index, E element);
    public E remove(int index);
    public boolean remove(Object o);
    public void clear();
    public boolean addAll(Collection<? extends E> c);
    public boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c);
}

代碼分析

該代碼展示了 Java 中 ArrayList 類的方法聲明。ArrayList 類實(shí)現(xiàn)了 List 接口，是一個可變大小的數(shù)組實(shí)現(xiàn)，支持隨機(jī)訪問和快速插入和刪除元素。其中，包含以下主要方法：

• 構(gòu)造方法：默認(rèn)構(gòu)造方法、指定初始容量的構(gòu)造方法、從 Collection 中構(gòu)造方法。
• 容量操作方法：trimToSize()，確保該 ArrayList 實(shí)例的容量最小。
• 容量增長方法：ensureCapacity(int minCapacity)，調(diào)整該 ArrayList 實(shí)例的容量，以確保它最少能容納指定最小容量的元素。
• 查詢方法：size()，返回列表中元素的數(shù)量；isEmpty()，如果列表為空，則返回 true；contains(Object o)，如果此列表中包含指定元素，則返回 true；indexOf(Object o)，返回此列表中指定元素的第一次出現(xiàn)的索引，如果此列表不包含元素，則返回 -1；lastIndexOf(Object o)，返回此列表中指定元素的最后一次出現(xiàn)的索引，如果此列表不包含元素，則返回 -1。
• 元素操作方法：get(int index)，返回列表中指定位置的元素；set(int index, E element)，用指定元素替換此列表中指定位置上的元素，并返回替換前的元素；add(E e)，將指定元素追加到此列表的末尾；add(int index, E element)，在列表的指定位置插入指定元素；remove(int index)，刪除列表中指定位置的元素，并返回被刪除的元素；remove(Object o)，從此列表中刪除指定元素的第一個出現(xiàn)（如果存在）；clear()，從列表中移除所有元素。
• 其他方法：clone()，返回此 ArrayList 實(shí)例的副本；toArray()，返回一個包含此列表中所有元素的數(shù)組；toArray(T[] a)，返回一個包含此列表中所有元素的數(shù)組，數(shù)組類型為指定數(shù)組的運(yùn)行時類型；addAll(Collection<? extends E> c)，將指定集合中的所有元素添加到列表的末尾；addAll(int index, Collection<? extends E> c)，在列表的指定位置插入指定的集合中的所有元素。

這些方法使得 ArrayList 可以高效地進(jìn)行常見的列表操作，例如添加、刪除和搜索元素。

LinkedList

public class LinkedList<E>
        extends AbstractSequentialList<E>
        implements List<E>, Deque<E>, Cloneable, java.io.Serializable {
    public LinkedList();
    public LinkedList(Collection<? extends E> c);
    public int size();
    public boolean isEmpty();
    public boolean contains(Object o);
    public Iterator<E> iterator();
    public Iterator<E> descendingIterator();
    public boolean add(E e);
    public boolean remove(Object o);
    public void clear();
    public E get(int index);
    public E set(int index, E element);
    public void add(int index, E element);
    public E remove(int index);
    public boolean addAll(Collection<? extends E> c);
    public boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c);
    public boolean removeAll(Collection<?> c);
    public boolean retainAll(Collection<?> c);
    public E getFirst();
    public E getLast();
    public E removeFirst();
    public E removeLast();
    public void addFirst(E e);
    public void addLast(E e);
    public boolean offer(E e);
    public boolean offerFirst(E e);
    public boolean offerLast(E e);
    public E peek();
    public E peekFirst();
    public E peekLast();
    public E poll();
    public E pollFirst();
    public E pollLast();
    public E element();
    public void push(E e);
    public E pop();
    public boolean removeFirstOccurrence(Object o);
    public boolean removeLastOccurrence(Object o);
    public Object[] toArray();
    public <T> T[] toArray(T[] a);
    private Entry<E> addBefore(E e, Entry<E> entry);
    private E remove(Entry<E> e);
    private Entry<E> entry(int index);
    private void linkFirst(E e);
    private void linkLast(E e);
    private void linkBefore(E e, Entry<E> succ);
    private E unlinkFirst(Entry<E> f);
    private E unlinkLast(Entry<E> l);
    E unlink(Entry<E> e);
    private static class Entry<E> {
        E element;
        Entry<E> next;
        Entry<E> previous;
        Entry(E element, Entry<E> next, Entry<E> previous) {
            this.element = element;
            this.next = next;
            this.previous = previous;
        }
    }
}

LinkedList實(shí)現(xiàn)了List、Deque和Cloneable等接口，提供了一些常用方法，如add、remove、get和set等。同時，LinkedList還提供了一些與雙向鏈表相關(guān)的方法，如linkFirst、linkLast、linkBefore、unlinkFirst和unlinkLast等。

代碼分析

這是一個泛型的雙向鏈表實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了 List、Deque 接口，并繼承了 AbstractSequentialList 抽象類。其中包含了鏈表的基本操作，如添加、移除、查詢元素等等。同時還包含了一些特殊的操作，如獲取頭尾元素、在頭尾添加元素、彈出元素等。內(nèi)部使用了 Entry 類來表示鏈表節(jié)點(diǎn)，其中包含了元素、前驅(qū)節(jié)點(diǎn)和后繼節(jié)點(diǎn)。同時還實(shí)現(xiàn)了一些私有方法來輔助鏈表的操作。

測試用例

測試代碼演示

以下是一個簡單的測試用例：

package com.demo.javase.day56.collection;

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

/**
 * @Author bug菌
 * @Date 2023-11-05 23:32
 */
public class ListTest {
        public static void main(String[] args) {
            // 創(chuàng)建一個列表
            List<String> list = new ArrayList<>();

            // 添加元素到列表
            list.add("A");
            list.add("B");
            list.add("C");

            // 輸出列表長度
            System.out.println("Size of list: " + list.size());

            // 輸出列表中的元素
            System.out.println("List contents: ");
            for (String s : list) {
                System.out.println(s);
            }

            // 刪除第一個元素
            list.remove(0);

            // 輸出修改后的列表中的元素
            System.out.println("List contents after removing first element: ");
            for (String s : list) {
                System.out.println(s);
            }

            // 判斷列表中是否包含指定元素
            if (list.contains("A")) {
                System.out.println("List contains A");
            } else {
                System.out.println("List does not contain A");
            }

            // 清空列表
            list.clear();

            // 輸出清空后的列表長度
            System.out.println("Size of list after clearing: " + list.size());
        }

}

此測試用例演示了如何創(chuàng)建List對象，添加元素，刪除元素，檢查列表是否包含特定元素以及清空列表。

測試結(jié)果

根據(jù)如上測試用例，本地測試結(jié)果如下，僅供參考，你們也可以自行修改測試用例或者添加更多的測試數(shù)據(jù)或測試方法，進(jìn)行熟練學(xué)習(xí)以此加深理解。

測試代碼分析

根據(jù)如上測試用例，在此我給大家進(jìn)行深入詳細(xì)的解讀一下測試代碼，以便于更多的同學(xué)能夠理解并加深印象。

如上測試用例介紹了Java中List（列表）的基本用法。List可以存儲一組有序的元素，在添加、刪除、修改和查詢元素時非常方便。可以使用ArrayList實(shí)現(xiàn)List接口。常用的方法包括add()、remove()、contains()和clear()。在使用List時，可以通過迭代器或者for循環(huán)遍歷列表中的元素。需要注意的是，在刪除元素時可能會導(dǎo)致元素位置變化，因此在迭代器中刪除元素時必須使用iterator.remove()方法，否則會拋出ConcurrentModificationException異常。

小結(jié)

本篇文章對Java中List接口的底層實(shí)現(xiàn)原理進(jìn)行了探討，介紹了ArrayList和LinkedList兩種主要實(shí)現(xiàn)方式的特點(diǎn)和應(yīng)用場景，并分析了它們的優(yōu)缺點(diǎn)。

在實(shí)際使用中，我們應(yīng)該根據(jù)場景的不同，選擇最合適的List實(shí)現(xiàn)方式，以達(dá)到最佳的性能和應(yīng)用體驗(yàn)。

總結(jié)

本篇文章介紹了Java中List接口的基本特性和使用方法，并深入研究了List接口的底層實(shí)現(xiàn)原理，包括ArrayList和LinkedList兩種實(shí)現(xiàn)方式。在實(shí)際應(yīng)用中，如果需要頻繁讀取和修改元素，可以使用ArrayList；如果需要頻繁添加和刪除元素，可以使用LinkedList。此外，本文還分析了它們的優(yōu)缺點(diǎn)，提供了一些常用的測試用例和總結(jié)。

以上就是詳解Java中List接口底層實(shí)現(xiàn)原理的詳細(xì)內(nèi)容，更多關(guān)于Java List接口底層實(shí)現(xiàn)的資料請關(guān)注腳本之家其它相關(guān)文章！

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