1 ArrayList
1.1 简介
一种以数组实现的List，与数组相比，它具有动态扩展的能力，因此也可称之为动态数组。
1.2 源码分析
1.2.1 属性
/**
* 默认容量
*/
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
/**
* 空数组，如果传入的容量为0时使用
*/
private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};
/**
* 空数组，传传入容量时使用，添加第一个元素的时候会重新初始为默认容量大小
*/
private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};
/**
* 存储元素的数组
*/
transient Object[] elementData; // non-private to simplify nested class access
/**
* 集合中元素的个数
*
* @serial
*/
private int size;
（1）DEFAULT_CAPACITY
默认容量为10，也就是通过new ArrayList()创建时的默认容量。
（2）EMPTY_ELEMENTDATA
空的数组，这种是通过new ArrayList(0)创建时用的是这个空数组。
（3）DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA
也是空数组，这种是通过new ArrayList()创建时用的是这个空数组，与EMPTY_ELEMENTDATA的区别是在添加第一个元素时使用这个空数组的会初始化为DEFAULT_CAPACITY（10）个元素。
（4）elementData
真正存放元素的地方，使用transient是为了不序列化这个字段。
private表示是类私有的属性，只要是在这个类内部都可以访问，嵌套类或者内部类也是在类的内部，所以也可以访问类的私有成员。
（5）size
真正存储元素的个数，而不是elementData数组的长度。
1.2.2 构造方法
ArrayList(int initialCapacity)构造方法：
传入初始容量，如果大于0就初始化elementData为对应大小，如果等于0就使用EMPTY_ELEMENTDATA空数组，如果小于0抛出异常。
public ArrayList(int initialCapacity) {
if (initialCapacity > 0) {
this.elementData = new Object[initialCapacity];
} else if (initialCapacity == 0) {
this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
} else {
throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+
initialCapacity);
}
}
ArrayList()构造方法:
不传初始容量，初始化为DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA空数组，会在添加第一个元素的时候扩容为默认的大小，即10。
public ArrayList() {
this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
}
ArrayList(Collection c)构造方法:
传入集合并初始化elementData，这里会使用拷贝把传入集合的元素拷贝到elementData数组中，如果元素个数为0，则初始化为EMPTY_ELEMENTDATA空数组。
public ArrayList(Collection<? extends E> c) {
elementData = c.toArray();
if ((size = elementData.length) != 0) {
// c.toArray might (incorrectly) not return Object[] (see 6260652)
if (elementData.getClass() != Object[].class)
elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class);
} else {
// replace with empty array.
this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
}
}
1.2.3 add(E e)方法
添加元素到末尾，平均时间复杂度为O(1)
public boolean add(E e) {
// 检查是否需要扩容
ensureCapacityInternal(size + 1); // Increments modCount!!
// 将元素插入到最后一位
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++;
// overflow-conscious code
if (minCapacity - elementData.length > 0)
grow(minCapacity);
}
private void grow(int minCapacity) {
// overflow-conscious code
int oldCapacity = elementData.length;
// 新容量为旧容量的1.5倍
int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
// 如果新容量发现比需要的容量还小，则以需要的容量为准
if (newCapacity - minCapacity < 0)
newCapacity = minCapacity;
// 如果新容量已经超过最大容量了，则使用最大容量
if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
// minCapacity is usually close to size, so this is a win:
// 以新容量拷贝出来一个新数组
elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
}
-
检查是否需要扩容；
-
如果elementData等于DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA则初始化容量大小为DEFAULT_CAPACITY；
-
如果添加完后的元素数目大于当前的
elementData的长度，进行扩容 -
新容量是老容量的1.5倍（oldCapacity + (oldCapacity >> 1)），如果加了这么多容量发现比需要的容量还小，则以需要的容量为准；
-
创建新容量的数组并把老数组拷贝到新数组；
Arrays.copyOf
1.2.4 add(int index, E element)方法
添加元素到指定位置，平均时间复杂度为O(n)
public void add(int index, E element) {
// 检查是否越界
rangeCheckForAdd(index);
// 检查是否需要扩容
ensureCapacityInternal(size + 1); // Increments modCount!!
// 将index及其之后的元素往后挪一位,则index位置处就空出来了
System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,
size - index);
// 将元素插入到index的位置
elementData[index] = element;
// 大小加1
size++;
}
1.2.5 addAll(Collection c)方法
public boolean addAll(Collection<? extends E> c) {
Object[] a = c.toArray();
int numNew = a.length;
ensureCapacityInternal(size + numNew); // Increments modCount
System.arraycopy(a, 0, elementData, size, numNew);
size += numNew;
return numNew != 0;
}
（1）拷贝c中的元素到数组a中；
（2）检查是否需要扩容；
（3）把数组a中的元素拷贝到elementData的尾部；
1.2.6 get(int index)方法
获取指定索引位置的元素，时间复杂度为O(1)。
public E get(int index) {
// 检查是否越界
rangeCheck(index);
// 返回数组index位置的元素
return elementData(index);
}
1.2.7 remove(int index)方法
删除指定索引位置的元素，时间复杂度为O(n)。
public E remove(int index) {
// 检查是否越界
rangeCheck(index);
modCount++;
// 获取index位置的元素
E oldValue = elementData(index);
// 如果index不是最后一位,则将index之后的元素往前挪一位
int numMoved = size - index - 1;
if (numMoved > 0)
System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,
numMoved);
// 将最后一个元素删除，帮助GC
elementData[--size] = null; // clear to let GC do its work
// 返回旧值
return oldValue;
}
（1）检查索引是否越界；
（2）获取指定索引位置的元素；
（3）如果删除的不是最后一位，则其它元素往前移一位；
（4）将最后一位置为null，方便GC回收；
（5）返回删除的元素。
可以看到，ArrayList删除元素的时候并没有缩容
1.2.8 remove(Object o)方法
删除指定元素值的元素，时间复杂度为O(n)。
public boolean remove(Object o) {
if (o == null) {
// 遍历整个数组，找到元素第一次出现的位置，并将其快速删除
for (int index = 0; index < size; index++)
// 如果要删除的元素为null，则以null进行比较，使用==
if (elementData[index] == null) {
fastRemove(index);
return true;
}
} else {
// 遍历整个数组，找到元素第一次出现的位置，并将其快速删除
for (int index = 0; index < size; index++)
// 如果要删除的元素不为null，则进行比较，使用equals()方法
if (o.equals(elementData[index])) {
fastRemove(index);
return true;
}
}
return false;
}
private void fastRemove(int index) {
modCount++;
int numMoved = size - index - 1;
if (numMoved > 0)
System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,
numMoved);
elementData[--size] = null; // clear to let GC do its work
}
（1）找到第一个等于指定元素值的元素；
（2）快速删除；
fastRemove(int index)相对于remove(int index)少了检查索引越界的操作，可见jdk将性能优化到极致。
1.2.9 retainAll(Collection c)方法
求两个集合的交集。
（1）遍历elementData数组；
（2）如果元素在c中，则把这个元素添加到elementData数组的w位置并将w位置往后移一位；
（3）遍历完之后，w之前的元素都是两者共有的，w之后（包含）的元素不是两者共有的；
（4）将w之后（包含）的元素置为null，方便GC回收；
1.2.10 removeAll(Collection c)方法
求两个集合的单方向差集，只保留当前集合中不在c中的元素，不保留在c中不在当前集体中的元素。
1.3 总结
（1）ArrayList内部使用数组存储元素，当数组长度不够时进行扩容，每次加一半的空间，ArrayList不会进行缩容；
（2）ArrayList支持随机访问，通过索引访问元素极快，时间复杂度为O(1)；
（3）ArrayList添加元素到尾部极快，平均时间复杂度为O(1)；
（4）ArrayList添加元素到中间比较慢，因为要搬移元素，平均时间复杂度为O(n)；
（5）ArrayList从尾部删除元素极快，时间复杂度为O(1)；
（6）ArrayList从中间删除元素比较慢，因为要搬移元素，平均时间复杂度为O(n)；
（7）ArrayList支持求并集，调用addAll(Collection c)方法即可；
（8）ArrayList支持求交集，调用retainAll(Collection c)方法即可；
（7）ArrayList支持求单向差集，调用removeAll(Collection c)方法即可；
1.4 较难的与ArrayList相关面试题
- ArrayList是怎么实现序列化和反序列化的？
ArrayList实际存储元素的底层数组elementData设置成transient，那么ArrayList是怎么把元素序列化的呢？
依赖两个方法writeObject和readObject
private void writeObject(java.io.ObjectOutputStream s)
throws java.io.IOException{
// Write out element count, and any hidden stuff
// 防止序列化期间有修改
int expectedModCount = modCount;
// 写出非transient非static属性（会写出size属性）
s.defaultWriteObject();
// Write out size as capacity for behavioural compatibility with clone()
// 写出元素个数
s.writeInt(size);
// Write out all elements in the proper order.
// 依次写出元素
for (int i=0; i<size; i++) {
s.writeObject(elementData[i]);
}
// 如果有修改，抛出异常
if (modCount != expectedModCount) {
throw new ConcurrentModificationException();
}
}
private void readObject(java.io.ObjectInputStream s)
throws java.io.IOException, ClassNotFoundException {
// 声明为空数组
elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
// Read in size, and any hidden stuff
// 读入非transient非static属性（会读取size属性）
s.defaultReadObject();
// Read in capacity
//读入元素个数，没什么用，只是因为写出的时候写了size属性，读的时候也要按顺序来读
s.readInt(); // ignored
if (size > 0) {
// be like clone(), allocate array based upon size not capacity
// 检查是否需要扩容
ensureCapacityInternal(size);
Object[] a = elementData;
// Read in all elements in the proper order.
// 依次读取元素到数组中
for (int i=0; i<size; i++) {
a[i] = s.readObject();
}
}
}
查看writeObject()方法可知，先调用s.defaultWriteObject()方法，再把size写入到流中，再把元素一个一个的写入到流中。
一般地，只要实现了Serializable接口即可自动序列化，writeObject()和readObject()是为了自己控制序列化的方式，这两个方法必须声明为private，在java.io.ObjectStreamClass#getPrivateMethod()方法中通过反射获取到writeObject()这个方法。
在ArrayList的writeObject()方法中先调用了s.defaultWriteObject()方法，这个方法是写入非static非transient的属性，在ArrayList中也就是size属性。同样地，在readObject()方法中先调用了s.defaultReadObject()方法解析出了size属性。
elementData定义为transient的优势，自己根据size序列化真实的元素，而不是根据数组的长度序列化元素，减少了空间占用
2 LinkedList
2.1 简介
一个以双向链表实现的List，它除了作为List使用，还可以作为队列或者栈来使用。
LinkedList不仅实现了List接口，还实现了Queue和Deque接口，所以它既能作为List使用，也能作为双端队列使用，当然也可以作为栈使用。
2.2 源码分析
2.2.1 属性
// 元素个数
transient int size = 0;
/**
*链表首节点
*/
transient Node<E> first;
/**
*链表尾节点
*/
transient Node<E> last;
主要内部类
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;
}
}
主要构造方法
public LinkedList() {
}
public LinkedList(Collection<? extends E> c) {
this();
addAll(c);
}
构造方法也很简单，可以看出是一个无界的队列。
2.2.2 添加元素
作为一个双端队列，添加元素主要有两种，一种是在队列尾部添加元素，一种是在队列首部添加元素，这两种形式在LinkedList中主要是通过下面两个方法来实现的。
private void linkFirst(E e) {
// 获取首节点
final Node<E> f = first;
// 创建新节点,3个参数:前一个节点,元素,后一个节点
final Node<E> newNode = new Node<>(null, e, f);
// 让新节点作为新的首节点
first = newNode;
// 判断是不是第一个添加的元素
// 如果是就把last也置为新节点
// 否则把原首节点的prev指针置为新节点
if (f == null)
last = newNode;
else
f.prev = newNode;
// 元素个数加1
size++;
// 修改次数加1，说明这是一个支持fail-fast的集合
modCount++;
}
void linkLast(E e) {
// 队列尾节点
final Node<E> l = last;
// 创建新节点,新节点的prev是尾节点
final Node<E> newNode = new Node<>(l, e, null);
// 让新节点成为新的尾节点
last = newNode;
// 判断是不是第一个添加的元素
// 如果是就把first也置为新节点
// 否则把原尾节点的next指针置为新节点
if (l == null)
first = newNode;
else
l.next = newNode;
// 元素个数加1
size++;
// 修改次数加1
modCount++;
}
public void addFirst(E e) {
linkFirst(e);
}
public void addLast(E e) {
linkLast(e);
}
public boolean offerFirst(E e) {
addFirst(e);
return true;
}
public boolean offerLast(E e) {
addLast(e);
return true;
}
上面是作为双端队列来看，它的添加元素分为首尾添加元素，那么，作为List呢？
作为List，是要支持在中间添加元素的，主要是通过下面这个方法实现的，add方法。
public void add(int index, E element) {
// 判断是否越界
checkPositionIndex(index);
// 如果index是在队列尾节点之后的一个位置
// 把新节点直接添加到尾节点之后
// 否则调用linkBefore()方法在中间添加节点
if (index == size)
linkLast(element);
else
linkBefore(element, node(index));
}
// 在节点succ之前添加元素
void linkBefore(E e, Node<E> succ) {
// assert succ != null;
// succ是待添加节点的后继节点
// 找到待添加节点的前置节点
final Node<E> pred = succ.prev;
// 在其前置节点和后继节点之间创建一个新节点
final Node<E> newNode = new Node<>(pred, e, succ);
// 修改后继节点的前置指针指向新节点
succ.prev = newNode;
// 判断前置节点是否为空
// 如果为空，说明是第一个添加的元素，修改first指针
// 否则修改前置节点的next为新节点
if (pred == null)
first = newNode;
else
pred.next = newNode;
// 修改元素个数
size++;
// 修改次数加1
modCount++;
}
Node<E> node(int index) {
// assert isElementIndex(index);
// 因为是双链表
// 所以根据index是在前半段还是后半段决定从前遍历还是从后遍历
// 这样index在后半段的时候可以少遍历一半的元素
if (index < (size >> 1)) {
// 如果是在前半段,就从前遍历
Node<E> x = first;
for (int i = 0; i < index; i++)
x = x.next;
return x;
} else {
// 如果是在后半段,就从后遍历
Node<E> x = last;
for (int i = size - 1; i > index; i--)
x = x.prev;
return x;
}
}
添加元素方式如图所示：
总结：
在队列首尾添加元素很高效，时间复杂度为O(1)。
在中间添加元素比较低效，首先要先找到插入位置的节点，再修改前后节点的指针，时间复杂度为O(n)。
2.2.3 删除元素
作为双端队列，删除元素也有两种方式，一种是队列首删除元素，一种是队列尾删除元素。
removeFirst()，removeLast()：没有元素抛出异常；
pollFirst()，pollLast()：没有元素返回null；
作为List，又要支持中间删除元素，
remove(int index)：删除中间节点
源码就不赘述了。
总结：
在队列首尾删除元素很高效，时间复杂度为O(1)。
在中间删除元素比较低效，首先要找到删除位置的节点，再修改前后指针，时间复杂度为O(n)。
2.2.4 栈
LinkedList是双端队列，还记得双端队列可以作为栈使用吗？
public void push(E e) {
addFirst(e);
}
public E pop() {
return removeFirst();
}
栈的特性是LIFO(Last In First Out)，所以作为栈使用也很简单，添加删除元素都只操作队列首节点即可。
2.3 总结
（1）LinkedList是一个以双链表实现的List；
（2）LinkedList还是一个双端队列，具有队列、双端队列、栈的特性；
（3）LinkedList在队列首尾添加、删除元素非常高效，时间复杂度为O(1)；
（4）LinkedList在中间添加、删除元素比较低效，时间复杂度为O(n)；
（5）LinkedList不支持随机访问，所以访问非队列首尾的元素比较低效；
（6）LinkedList在功能上等于ArrayList + ArrayDeque；
3 面试
- ArrayList和LinkedList的区别？
（1）ArrayList和LinkedList可想从名字分析，它们一个是Array(动态数组)的数据结构，一个是Link(链表)的数据结构，此外，它们两个都是对List接口的实现。
前者是数组队列，相当于动态数组；后者为双向链表结构，也可当作堆栈、队列、双端队列
（2）当随机访问List时（get和set操作），ArrayList比LinkedList的效率更高，因为LinkedList是线性的数据存储方式，所以需要移动指针从前往后依次查找。
（3）当对数据进行增加和删除的操作时(add和remove操作)，LinkedList比ArrayList的效率更高，因为ArrayList是数组，所以在其中进行增删操作时，会对操作点之后所有数据的下标索引造成影响，需要进行数据的移动。
（4）从利用效率来看，ArrayList自由性较低，因为它需要手动的设置固定大小的容量，但是它的使用比较方便，只需要创建，然后添加数据，通过调用下标进行使用；而LinkedList自由性较高，能够动态的随数据量的变化而变化，但是它不便于使用。
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