集合类---List

一、ArrayList详解

1.继承关系

public class ArrayList<E> extends AbstractList<E> implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable

2.属性

//默认的数组长度
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
//存储list中元素的数组，transient关键字表示该对象在ArrayList序列化时不被序列化。
transient Object[] elementData;
//数组中实际元素的个数
private int size;
//数组的最大长度
private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;

3.构造方法：

ArrayList的构造函数总共有三个：

（1）ArrayList()构造一个初始容量为 10 的空列表。

（2）ArrayList(Collection<? extends E> c)构造一个包含指定 collection 的元素的列表，这些元素是按照该 collection 的迭代器返回它们的顺序排列的。

（3）ArrayList(int initialCapacity)构造一个具有指定初始容量的空列表。

所以如果调用List list = new ArrayList(10);会直接调用第三个构造函数。否则就需要扩容。

4.其他重要方法

1）add()添加元素：

    public boolean add(E e) {
        ensureCapacityInternal(size + 1);  // size为element数组的实际大小，若size+1<elementData.length,则不用动态扩容，否则需要将elementData进行动态扩容。
        elementData[size++] = e;
        return true;
    }
    private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
        if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
            minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
        }
 
        ensureExplicitCapacity(minCapacity);
    }
 
    private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
        modCount++;
 
        if (minCapacity - elementData.length > 0)
            grow(minCapacity);
    }
    //grow：elementData数组扩容
    private void grow(int minCapacity) {
        int oldCapacity = elementData.length;
    //每次增长newCapacity=oldCapacity*1.5，为原来的1.5倍
        int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
    //如果oldCapacity*1.5倍后，容量还是比minCapacity要小，则将newCapacity的值直接置为minCapacity
        if (newCapacity - minCapacity < 0)
            newCapacity = minCapacity;
    //如果增长的新长度大于了MAX_ARRAY_SIZE，则调用hugeCapacity来获取一个不大于Integer.MAX_VALUE的值。
        if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
            newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
    //重新申请一个newCapacity长度的数组空间，并把elementData数组中内容拷贝过去。
        elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
    }
    //hugeCapacity: elementData的最大容量
    private static int hugeCapacity(int minCapacity) {
        if (minCapacity < 0) // overflow
            throw new OutOfMemoryError();
    //当最小保证的容量minCapacity比MAX_ARRAY_SIZE还大时，返回Integer.MAX_VALUE；否则直接返回MAX_ARRAY_SIZE
        return (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ?
            Integer.MAX_VALUE :
            MAX_ARRAY_SIZE;
    }

2）add()在指定位置添加元素：

    public void add(int index, E element) {
        rangeCheckForAdd(index);
 
        ensureCapacityInternal(size + 1);  // 确保数组的长度>=size+1
    //将elementData中index到数组最后一个元素，整体向后移动一个位置，空出index这一个位置，将element填入
        System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1, size - index);
        elementData[index] = element;
        size++;
    }

3）addAll()：

ArrayList内部是以数组的形式实现的，直接数组后面加数组，并增长数组长度。

    public boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c) {
        rangeCheckForAdd(index);
 
        Object[] a = c.toArray();
        int numNew = a.length;
    //确保数组能容下添加的所有元素，可能进行动态扩容
        ensureCapacityInternal(size + numNew);  
         //计算从Index到处数组最后一个元素需要移动的元素的个数
        int numMoved = size - index;
        if (numMoved > 0)
    //直接采用System.arraycopy将elementData数组中从index开始到最后一个元素位置这一段数据，移动到index+numNew位置
            System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + numNew, numMoved);
    //若index等于size，则直接在原数组后面添加
        System.arraycopy(a, 0, elementData, index, numNew);
        size += numNew;
        return numNew != 0;
    }

addAll()是调用System.arraycopy()函数来进行添加list集的，以复制的方式进行。System.arraycopy()源码如下：

   /*
     * 源数组，也就是要x.addAll(y)中的y    
     * @param      src      the source array.
     * 源数组开始复制的位置，也就是y从第几位开始添加进x
     * @param      srcPos   starting position in the source array.
     * 目的数组，也就是x
     * @param      dest     the destination array.
     * 从目的数组的哪个位置开始添加，也就是从x的第几位开始添加进y
     * @param      destPos  starting position in the destination data.
     * 要复制的数组长度，也就是y要添加进x的数据个数
     * @param      length   the number of array elements to be copied.
     */
    public static native void arraycopy(Object src,  int  srcPos,
                                        Object dest, int destPos,
                                        int length);    

从上面可以看出，x.addAll(y)函数是在x集合的基础上再其里面加入y集合，而不是用y将x进行覆盖。

数组copy方法效率比较：

System.arraycopy > clone > Arrays.copyOf > for循环

4）remove一个区间的数值：

    //是一个前闭后开的区间，就是toIndex位置的元素不被移除，fromIndex位置元素被移除
    protected void removeRange(int fromIndex, int toIndex) {
        modCount++;
        //需要移动的元素的个数=toIndex到最后一个元素位置
        int numMoved = size - toIndex;
        System.arraycopy(elementData, toIndex, elementData, fromIndex, numMoved);
 
        // clear to let GC do its work
        int newSize = size - (toIndex-fromIndex);
        for (int i = newSize; i < size; i++) {
            elementData[i] = null;//设置为null，让gc有机会回收
        }
        size = newSize;
    }

二、LinkedList详解

1.继承关系

public class LinkedList<E> extends AbstractSequentialList<E> implements List<E>, Deque<E>, Cloneable, java.io.Serializable

（1）继承自AbstractSequentialList抽象类(该类继承自AbstractList抽象类)；实现了List、Deque、Cloneable和Serializable接口，对随机get、set、remove等做了基本实现。
（2）AbstractSequentialList抽象类：定义了具体方法get()、set()、add()、remove()、addAll()(提供对list的随机访问功能)和抽象方法abstract ListIterator<E> listIterator(int index)。
（3）Deque：双向队列，可以用作栈。继承自Queue接口，Queue接口又继承自Collection接口。
（4）实现方式是采用双向链表的形式。
（5）LinkedList可以被当作堆栈(实现了Deque接口)、队列或双端队列进行操作。

2.属性

transient int size = 0;//包含元素的个数
transient Node<E> first;//指向链表的第一个元素的指针
transient Node<E> last;//指向链表的最后一个元素的指针

3.数据结构

    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;
        }
    }

4.方法

（1）addFirst():链表头部添加一个新元素，调用私有方法linkFirst实现

    public void addFirst(E e) {
        linkFirst(e);
    }
 //linkFirst:在链表首添加一个元素
 private void linkFirst(E e) {
        final Node<E> f = first;
        //new Node<>(指向前一个节点的指针，数据，指向后一个节点的指针)
        final Node<E> newNode = new Node<>(null, e, f);
        first = newNode;
        //链表原先为空，现在添加了一个节点，last指针和first指针都指向该节点
        if (f == null)
            last = newNode;
        //原先的首节点的prev指针指向新节点
        else
            f.prev = newNode;
        size++;
        //修改次数+1
        modCount++;
    }

（2）addLast、add：在链表尾部添加一个新节点，调用私有方法linkLast实现

    public void addLast(E e) {
        linkLast(e);
    }
    //类似的还有add方法也是调用linkLast实现
    public boolean add(E e) {
        linkLast(e);
        return true;
    }
    //linkLast：在链表的最后添加一个节点
    void linkLast(E e) {
        final Node<E> l = last;
        //新节点的prev指针指向原先的最后一个节点
        final Node<E> newNode = new Node<>(l, e, null);
        //修改last指针指向新的最后一个节点
        last = newNode;
        if (l == null)
            first = newNode;
        //原先的最后一个节点的next指针指向新节点
        else
            l.next = newNode;
        size++;
        modCount++;
    }

（3）removeFirst:删除链表的头节点

    public E removeFirst() {
        final Node<E> f = first;
        if (f == null)
            throw new NoSuchElementException();
        return unlinkFirst(f);
    }
//unlinkFirst:删除链表中第一个节点，并取消链接(prev和next)，私有方法，供removeLast()调用
//使用前提：f!=null，否则会抛出异常；并且f是链表的第一个节点，否则结果会删除链表首节点到f位置的所有节点(first=f.next)
    private E unlinkFirst(Node<E> f) {
        // assert f == first && f != null;
        final E element = f.item;
        final Node<E> next = f.next;
        f.item = null;
        f.next = null; // help GC
        first = next;
        //链表中已经没有节点了
        if (next == null)
            last = null;
        else
            next.prev = null;
        size--;
        modCount++;
        return element;
    }

（4）removeLast：删除链表的最后一个节点

    public E removeLast() {
        final Node<E> l = last;
        if (l == null)
            throw new NoSuchElementException();
        return unlinkLast(l);
    }
//unlinkLast:删除链表的最后一个节点，并删除链接，私有方法，供removeFirst方法调用
//使用前提：f!=null,否则会抛出异常；并且l是链表的最后一个节点，否则会删除f到链表尾部的所有节点(last=l.prev)
private E unlinkLast(Node<E> l) {
        // assert l == last && l != null;
        final E element = l.item;
        final Node<E> prev = l.prev;
        l.item = null;
        l.prev = null; // help GC
        last = prev;
        //该链表中已经没有节点了
        if (prev == null)
            first = null;
        else
            prev.next = null;
        size--;
        modCount++;
        return element;
    }

三、Vector详解

1.继承关系

public class Vector<E> extends AbstractList<E> implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable

（1）继承自AbstractList类
（2）List接口：继承自Collection接口，同时自己也定义了一系列索引访问功能。
（3）RandomAccess：空接口，实现该接口代表该类拥有随机访问list对象的能力。
（4）Cloneable:空接口，实现该接口，重写Object的clone方法，否则会抛出异常。调用super.clone()实现对象的复制，如果对象中有引用，可以在super.clone后面进行处理。
（5）java.io.Serializable：空接口，实现该接口代表该类可序列化

2.属性

protected Object[] elementData;//内部还是采用一个数组保存list中的元素
protected int elementCount;//数组实际包含的元素的个数
protected int capacityIncrement;//每次增长的大小(不是增长率)，当值小于等于0时，容量每次增长的容量为elementData.length(即倍增原数组的大小)
private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8; //数组的最大容量

3.方法

(1)构造方法，如果不提供初始容量，则默认数组大小为10

    public Vector() {
        this(10);
    }

(2)同步方法：trimToSize,将数组的容量修改成实际容量的大小，即令elementData.length=elementCount

    public synchronized void trimToSize() {
        modCount++;
        int oldCapacity = elementData.length;
        if (elementCount < oldCapacity) {
            elementData = Arrays.copyOf(elementData, elementCount);
        }
    }

(3)同步方法:ensureCapacity,保证数组的最小容量

    public synchronized void ensureCapacity(int minCapacity) {
        if (minCapacity > 0) {
            modCount++;
            ensureCapacityHelper(minCapacity);
        }
    }
    //调用了ensureCapacityHelper：
    private void ensureCapacityHelper(int minCapacity) {
        // overflow-conscious code
        if (minCapacity - elementData.length > 0)
            grow(minCapacity);
    }
    //调用了grow:
    private void grow(int minCapacity) {
        // overflow-conscious code
        int oldCapacity = elementData.length;
        //如果capacityIncrement<0,则newCapacity=oldCapacity+oldCapacity；
        //否则则newCapacity=oldCapacity+capacityIncrement；
        int newCapacity = oldCapacity + ((capacityIncrement > 0) ?
                                         capacityIncrement : oldCapacity);
        //如果增长后仍不能保证满足minCapacity，则令newCapacity = minCapacity
        if (newCapacity - minCapacity < 0)
            newCapacity = minCapacity;
        //若增长后的大小大于允许的最大长度，则调用hugeCapacity
        if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
            newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
        //调用Arrays.copyof方法将elementData拷贝到一个容量为newCapacity的数组中。
        //Arrays.copyOf(elementData, newCapacity)实际上是通过System.arraycopy(original, 0, copy, 0,Math.min(original.length, newLength));来实现的
        elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
    }
    //调用了hugeCapacity
    private static int hugeCapacity(int minCapacity) {
        if (minCapacity < 0) // overflow
            throw new OutOfMemoryError();
        //MAX_ARRAY_SIZE=Integer.MAX_VALUE-8
        return (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ?
            Integer.MAX_VALUE :
            MAX_ARRAY_SIZE;
    }

(4)同步方法：setSize，将elementData.length设置为newSize

    public synchronized void setSize(int newSize) {
        modCount++;
        if (newSize > elementCount) {
        //若newSize<elementData.length,则不用扩容，否则需要扩容
            ensureCapacityHelper(newSize);
        } else {
        //若newSize<elementData的实际大小(elementCount),则将newSize及其后面的数组都置为空
            for (int i = newSize ; i < elementCount ; i++) {
                elementData[i] = null;
            }
        }
        elementCount = newSize;
    }

(5)同步方法:capacity,返回数组的大小；size，返回数组包含的元素的个数；isEmpty，判断数组是否没有元素

    public synchronized int capacity() {
        return elementData.length;
    }
    public synchronized int size() {
        return elementCount;
    }
    public synchronized boolean isEmpty() {
        return elementCount == 0;
    }

(6)同步方法:删除index处的元素

    public synchronized void removeElementAt(int index) {
        modCount++;
        if (index >= elementCount) {
            throw new ArrayIndexOutOfBoundsException(index + " >= " +
                                                     elementCount);
        }
        else if (index < 0) {
            throw new ArrayIndexOutOfBoundsException(index);
        }
        int j = elementCount - index - 1;
        if (j > 0) {
        //将elementData从index+1到elementCount为止的元素向前移动一个位置，覆盖Index处的元素
            System.arraycopy(elementData, index + 1, elementData, index, j);
        }
        elementCount--;
        elementData[elementCount] = null; /* to let gc do its work */
    }
    //remove也是删除，但是没有判断index是否小于0
    public synchronized E remove(int index) {
        modCount++;
        if (index >= elementCount)
            throw new ArrayIndexOutOfBoundsException(index);
        E oldValue = elementData(index);
 
        int numMoved = elementCount - index - 1;
        if (numMoved > 0)
            System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,
                             numMoved);
        elementData[--elementCount] = null; // Let gc do its work
 
        return oldValue;
    }

(7)同步方法:insertElementAt,在index处插入obj

    public synchronized void insertElementAt(E obj, int index) {
        modCount++;
        if (index > elementCount) {
            throw new ArrayIndexOutOfBoundsException(index
                                                     + " > " + elementCount);
        }
        //先保证容量大于elementCount+1
        ensureCapacityHelper(elementCount + 1);
        //将elementData数组中index到elementCount之间的元素向后移动一位，给Index处空出位置
        System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1, elementCount - index);
        elementData[index] = obj;
        elementCount++;
    }

四、Stack详解

Stack继承于Vector，在其基础上实现了Stack所要求的后进先出(LIFO)的弹出与压入操作，其提供了push、pop、peek三个主要的方法：

push操作通过调用Vector中的addElement来完成；

pop操作通过调用peek来获取元素，并同时删除数组中的最后一个元素；

peek操作通过获取当前Object数组的大小，并获取数组上的最后一个元素。

ArrayList, LinkedList和Vector区别：

1.实现方式：

ArrayList和Vector采用数组按顺序存储元素，默认初始容量是10。

LinkedList基于双向循环链表实现（含有头结点）。

2.线程安全性

Vector线程安全，效率低，开销大。

ArrayList和LinkedList非线程安全。

3.扩容机制

ArrayList扩容为原来的1.5倍。不可以设置容量增量。

Vector扩容为原来容量+容量增量的2倍。可以设置容量增量。

4.增删改查效率

在集合末尾增加、删除元素，修改和查询时用ArrayList和Vector快。

在指定位置插入、删除元素，LinkedList快。