java之list源码浅析
来源：互联网 发布：怎么看mac硬盘空间 编辑：程序博客网 时间：2024/06/12 00:57
三大数据结构链表、树和图，顺序表作为其中的一种，可以说是平时编程中最长使用到的。List接口是顺序表在java中的实现，它有很多子接口和实现类，平时的编程中使用起来非常方便。但是更进一步，我们有必要对其实现和原理进行理解，并和数据结构中所学比较，并应用于平时的编程中，编写出高效率的代码。
首先看下list接口的层次关系，下图由本人根据jdk的类结构简单画的：
从上图可以看出，list接口有Collection接口衍生而出，那么首先了解下Collection接口。
Collection
collection 是集合框架的根，他定义的集合操作的通用行为，如添加元素、批量添加、删除、批量删除、集合大小、包含、迭代器等。它的接口定义这里不再贴，在关系上，Collection是继承于Iterable接口的，其只有一个方法：
public interface Iterable<T> { /** * Returns an {@link Iterator} for the elements in this object. * * @return An {@code Iterator} instance. */ Iterator<T> iterator();}其中Iterator如下：
public interface Iterator<E> { public boolean hasNext(); public E next(); public void remove();}AbstractCollection
AbstractCollection 是Collection接口的抽象实现，实现了其中大部分的功能。如下所示，我们实现自己的Collection只需要实现三个方法即可：
Collection<String> c = /** * *自定义实现示例，在AbstractCollection 中的一些方法的实现中，如Clear，调用了 *iterator()方法，而在这些方法在子类中，实现这是典型的template模式。 * */ new AbstractCollection<String>() { /* * * 迭代器 */ @Override public Iterator<String> iterator() { // TODO Auto-generated method stub return null; } /* * 大小 */ @Override public int size() { // TODO Auto-generated method stub return 0; } /* * 抽象实现是抛出异常，我们需要自己实现 */ @Override public boolean add(String e) { return true; } };如下代码片段摘自AbstractCollection，调用了iterator方法，其中有很多类似代码,如addAll、removeAll、contains、toArray()等，这些实现只是基本的实现，子类中有更有效率的就会覆盖它。典型的可见后面的Arraylist的toArray()。
public void clear() { Iterator<E> e = iterator(); while (e.hasNext()) { e.next(); e.remove(); } }List
List接口表示数据结构中的链表，其继承collection接口，又往里面添加了一些链表操作的方法，主要是随机访问、删除、查找、专用的迭代器等，如下所示：
/** 随机获取*/E get(int index); /** * 随机设置值 */ E set(int index, E element); /** * 随机添加 */ void add(int index, E element); /** *随机移除 */ E remove(int index); // Search Operations /** * 查找 */ int indexOf(Object o); /** * 从后查找 */ int lastIndexOf(Object o); // List Iterators /** *专用迭代 */ ListIterator<E> listIterator(); /** * 从某个位置迭代 */ ListIterator<E> listIterator(int index); // View /** * 子列表 */ List<E> subList(int fromIndex, int toIndex);
AbstractList
这是List接口的抽象实现，和AbstractCollection类似，实现了基本的功能而把关键的方法延迟到子类中实现。如下所示一个示意子类：
List<String> l = /** * *示例实现 */ new AbstractList<String>() { /* * 随机获取 */ @Override public String get(int index) { return null; } /* * 大小 */ @Override public int size() { return 0; } /* * 超类中实现抛出异常，表示不可变list * * 自己实现后变为可变 */ @Override public String set(int index, String element) { return null; } /* * 默认实现抛出异常 */ @Override public void add(int index, String element) { } /** * 默认实现抛出异常 */ @Override public String remove(int index) { return null; } };ListIterator
List接口添加了新的方法，其中一个方法就是返回ListIterator,其扩展了iterator，增加了向前遍历的方法。主要链表是有序的。
其实现不多说，需要注意的就是迭代器失效问题，在list实现中，维护了一个字段modCount，当此list进行改变操作，如add/remove等的时候，此值会进行改变，当构造迭代器的时候，此值会在迭代器中保留一个副本，使用迭代器中的方法都会检查副本和list中的modCount是否一致，如果不一致，抛出迭代器异常。需要注意的是，java中的for each语法，经过编译后，是使用的迭代器。
如下部分源码示例：
private class Itr implements Iterator<E> { /** 此类是个内部类，直接访问abstractList的字段 * Index of element to be returned by subsequent call to next. */ int cursor = 0; /** * Index of element returned by most recent call to next or * previous. Reset to -1 if this element is deleted by a call * to remove. */ int lastRet = -1; /** * 注意这点 */ int expectedModCount = modCount; /** *迭代器的next方法 */ public E next() { /** *操作前进行检查 */ checkForComodification(); try { E next = get(cursor); lastRet = cursor++; return next; } catch (IndexOutOfBoundsException e) { checkForComodification(); throw new NoSuchElementException(); } }/** *检查迭代器失效问题。 */ final void checkForComodification() { if (modCount != expectedModCount) throw new ConcurrentModificationException(); } }ArrayList
这是一般编程中最长使用的数据结构，基于数组实现的顺序表，但是数组可自动扩容。它直接继承于abstractList,故只研究其关键实现和方法。
数组存储
ArrayList是基于数组的存储，默认构造初始大小是10，后面我们会看到这个初始大小会一定程度上影响其性能：
/** * The array buffer into which the elements of the ArrayList are stored. * The capacity of the ArrayList is the length of this array buffer. */private transient Object[] elementData;public ArrayList(int initialCapacity) { super(); if (initialCapacity < 0) throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+ initialCapacity); this.elementData = new Object[initialCapacity]; } /** * Constructs an empty list with an initial capacity of ten. */ public ArrayList() { this(10); }Add方法
List接口有两个add的重载方法，第一个是在list的末尾添加元素，第二个是随机位置添加元素，其自动扩展数据容量的方法是ensureCapacity(int),保证大小：
/** * 此方法在父类中已经实现，但是arralylist覆盖了其实现，采用更加有效率的实现 */ public boolean add(E e) { ensureCapacity(size + 1); // Increments modCount!! elementData[size++] = e; return true; } /** * 任意位置添加元素，相应的元素后移，保持链表的特性。 * 其中System.arrayCopy效率较高。 * */ public void add(int index, E element) { if (index > size || index < 0) throw new IndexOutOfBoundsException( "Index: "+index+", Size: "+size); ensureCapacity(size+1); // Increments modCount!! System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1, size - index); elementData[index] = element; size++; } /** * 保证list链表的大小，如果不足则扩容。 * 这个方法比较消耗性能，因此，如果实现可以知道或者预估AyyayList的大小，那么 * 可以在构造的时候设定合适的初始容量。 */ public void ensureCapacity(int minCapacity) { modCount++; //获取旧的数组大小 int oldCapacity = elementData.length; //比较，如果不足则扩容 if (minCapacity > oldCapacity) { Object oldData[] = elementData; int newCapacity = (oldCapacity * 3)/2 + 1; if (newCapacity < minCapacity) newCapacity = minCapacity; // 调用效率较高的arraycopy elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity); } }Vector
实现和ArraaylIst基本一致，只是在方法上加了同步操作，但需要注意其线程安全是相对的，比如一个线程进行add操作，另外一个线程迭代，肯定会出异常。
另外有个Stack继承Vector，添加了栈的相关方法，如push,和pop。
LinkedList
基于链表的顺序表，和ArrayList相比，其随机插入和删除的效率较高，因为其不需要扩容和移动元素操作，但是随机访问效率较低（随机访问需要从头节点遍历）。
AbstractSequentialList
LinkedList其继承于AbstractSequentialList，而其中AbstractSequentialList实现了abstractlist中的抽象方法，都是基于迭代器实现的，它同时把返回迭代器的方法覆盖为抽象方法。故LinkedList实现的关键在于迭代器，如下所示：
public abstract class AbstractSequentialList<E> extends AbstractList<E> { /** *基于迭代器实现的get */ public E get(int index) { try { return listIterator(index).next(); } catch (NoSuchElementException exc) { throw new IndexOutOfBoundsException("Index: "+index); } } /** *基于迭代器实现的set */ public E set(int index, E element) { try { ListIterator<E> e = listIterator(index); E oldVal = e.next(); e.set(element); return oldVal; } catch (NoSuchElementException exc) { throw new IndexOutOfBoundsException("Index: "+index); } } /*基于迭代器实现的add */ public void add(int index, E element) { try { listIterator(index).add(element); } catch (NoSuchElementException exc) { throw new IndexOutOfBoundsException("Index: "+index); } } /** * 基于迭代器实现的remove * */ public E remove(int index) { try { ListIterator<E> e = listIterator(index); E outCast = e.next(); e.remove(); return outCast; } catch (NoSuchElementException exc) { throw new IndexOutOfBoundsException("Index: "+index); }} public Iterator<E> iterator() { return listIterator(); } /** * Returns a list iterator over the elements in this list (in proper * sequence). * */ public abstract ListIterator<E> listIterator(int index);}LinkedList
Linkedlist除了实现了List接口，还实现了队列的相关接口，这里略过不提。由listiterator接口，可知linkedList也是一个可双向遍历的顺序表。
只需研究每个链表节点的结构和迭代器实现。
链表节点如下所示，是一个静态内部类：
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; } }其迭代器实现是一个内部类，接下来以其add操作说明，其他类似：
private class ListItr implements ListIterator<E> { private Entry<E> lastReturned = header; private Entry<E> next; private int nextIndex; private int expectedModCount = modCount; /** * 构造的时候采用一个优化技巧，根据index决定从前还是从后遍历。 */ ListItr(int index) { if (index < 0 || index > size) throw new IndexOutOfBoundsException("Index: "+index+ ", Size: "+size); if (index < (size >> 1)) { next = header.next; for (nextIndex=0; nextIndex<index; nextIndex++) next = next.next; } else { next = header; for (nextIndex=size; nextIndex>index; nextIndex--) next = next.previous; } } /* * 链表插入，在构造此迭代器的时候，index就是插入的位置，故直接插入元素即可 * * addbefor是ArrayList的方法，就是链表插入，指针改变的过程，这里不赘述。 */ public void add(E e) { checkForComodification(); lastReturned = header; addBefore(e, next); nextIndex++; expectedModCount++; } final void checkForComodification() { if (modCount != expectedModCount) throw new ConcurrentModificationException(); } } /** *AbstractSequentialList的方法，随机插入。首先构造从index开始的迭代器 */ public void add(int index, E element) { try { listIterator(index).add(element); } catch (NoSuchElementException exc) { throw new IndexOutOfBoundsException("Index: "+index); } }CopyOnWriteArrayList
CopyOnWriteArrayList是java并发包中的一个工具类，在jdk1.5的时候被引入，单独一个它的内容足以写一篇文章，故这里不再展开，只是简要对其说明。
其基本思想从名称中可以看出，当进行写操作的时候，先复制复制出一个副本，写操作对副本进行。
读和遍历操作发生在操作发生的那一刻存在的副本上。
写操作的时候枷锁，读操作的时候不加锁。并通过java内存模型的语义，进行优雅的设计。
CopyOnWrite并发容器用于读多写少的并发场景。CopyOnWrite容器只能保证数据的最终一致性，不能保证数据的实时一致性。所以如果你希望写入的的数据，马上能读到，请不要使用CopyOnWrite容器。
具体可以参考一下文章：
聊聊并发-Java中的Copy-On-Write容器
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