寫在前面

作為Android開發者，Java集合可能是開發中最常使用的類之一了。但很多人可能跟我一樣，對Java集合只停留在“使用”的層面上，而對其的實現、原理如何只是略知一二，所以有時可能忽略了一些小細節。這些細節可能對項目的整體性能影響不大，但我覺得，要成為一個好的程序員，必須要精益求精，對代碼性能“錙銖必較”。

舉個例子，各位在創建ArrayList實例時有沒有想過到底要不要指定其初始容量？指定了會怎樣？不指定又會怎樣？如果你跟博主我有同樣的困惑，那么本文一定能給你個滿意的答案！

正文

這篇文章是關于Java集合之一的List的，但不妨先祭上一張經典的Java集合框架圖，先大概了解下Java集合整體的框架：

如果之前沒見過圖2.1的童鞋緊張了，這么多類呀！別慌，圖2.1很多是接口和抽象類，并且我們常使用的集合類也就那么幾個，我們只關心我們經常使用的即可，不常用的就暫時忽略，等用到了再看就行了。

好了，上面關于Java集合List的類不多，我整理了下：

從圖2.2可以看到，我們經常使用的Arrayist、LinkedList繼承的關系挺復雜的，但繼承的都是接口或抽象類。而Collection和List是接口，Collection接口定義了集合的通用方法，和List接口是在Collection基礎上補充了專屬于List的通用方法。我們什么時候使用抽象類？很多情況是為子類提供共同的方法實現或屬性時會使用抽象類。所以就不難理解AbstractColection和AbstractList的作用了，當然，你也可以繼承于它們實現自己的List，而這是題外話了，這里就不加討論了，下面我們進入正題吧。

本文將介紹下面List子類的一些細節：

• ArrayList
• Vector和Stack
• LinkedList
• SynchronizedList

ArrayLIst的細節

細節1：ArrayList基于數組實現，訪問元素效率快，插入刪除元素效率慢

ArrayList是基于數組實現的，這個似乎不是什么秘密了，但為了文章的完整性，還是要介紹下。ArrayList內部維護一個數組elementData，用于保存列表元素，基于數組的數組這數據結構，我們知道，其索引元素是非常快的：

public E get(int index) {if (index >= size)throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));return (E) elementData[index]; // 索引無需遍歷，效率非常高！ } 復制代碼public E set(int index, E element) {if (index >= size)throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));E oldValue = (E) elementData[index];elementData[index] = element; // 索引無需遍歷，效率非常高！return oldValue; } 復制代碼

可以看到，get、set直接根據索引獲取了目標元素，中間不用做任何的遍歷操作，效率是非常快的。但是對于插入和刪除操作效率就不太理想了：

public void add(int index, E element) {if (index > size || index < 0)throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));ensureCapacityInternal(size + 1); // 先判斷是否需要擴容System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1, // 把index后面的元素都向后偏移一位size - index);elementData[index] = element;size++; } 復制代碼

從插入操作的源碼可以看到，插入前，要先判斷是否需要擴容（擴容后面會講，這里先跳過），然后把Index后面的元素都偏移一位，這里的偏移是需要把元素復制后，再賦值當前元素的后一索引的位置。顯然，這樣一來，插入一個元素，牽連到多個元素，效率自然就低了。再來看看刪除操作：

public E remove(int index) {if (index >= size)throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));modCount++;E oldValue = (E) elementData[index];int numMoved = size - index - 1;if (numMoved > 0) {// 把index后面的元素向前偏移一位，填補刪除的元素System.arraycopy(elementData, index + 1, elementData, index,numMoved);}elementData[--size] = null; // clear to let GC do its workreturn oldValue; } 復制代碼

同樣，刪除一個元素，需要把index后面的元素向前偏移一位，填補刪除的元素，也是牽連了多個元素。所以大家在使用時要謹慎了！

細節2：ArrayList支持快速隨機訪問

什么是隨機訪問？我們不防先來看看ArrayList的類定義：

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

看到RandomAccess了嗎，這個就是支持快速隨機訪問的標記，我們再點進去看看其源碼：

/*** ...* <p>It is recognized that the distinction between random and sequential* access is often fuzzy. For example, some <tt>List</tt> implementations* provide asymptotically linear access times if they get huge, but constant* access times in practice. Such a <tt>List</tt> implementation* should generally implement this interface. As a rule of thumb, a* <tt>List</tt> implementation should implement this interface if,* for typical instances of the class, this loop:* <pre>* for (int i=0, n=list.size(); i &lt; n; i++)* list.get(i);* </pre>* runs faster than this loop:* <pre>* for (Iterator i=list.iterator(); i.hasNext(); )* i.next();* </pre>* ...*/ public interface RandomAccess { } 復制代碼

額，是一個接口，沒有任何的屬性或方法定義。其實它只是一個標記，繼承于它就相當于告訴別人，我支持快速隨機訪問，上面代碼我特意留下部分的注釋說明，其中關鍵的部分在說，通常情況下，使用索引訪問的效率比使用迭代器訪問的效率快！

我們把目光暫時轉移到Collections類下，其中有很多基于是否有繼承于RandomAccess的List做不同的算法選擇判斷，我們來看其中的二分查找算法：

public static <T> int binarySearch(List<? extends Comparable<? super T>> list, T key) {if (list instanceof RandomAccess || list.size()<BINARYSEARCH_THRESHOLD)// 當List實現了RandomAccess或小于一定閥值時，使用索引二分查找算法return Collections.indexedBinarySearch(list, key);elsereturn Collections.iteratorBinarySearch(list, key); } 復制代碼

所以快速隨機訪問是針對于Collections中的方法而言的（其他類是否也有？歡迎大神們補充），支持快速隨機訪問時，就選擇索引訪問，效率會很快。

另外，從上面的二分查找算法我們又能得到一個提高效率的小細節：我們知道List是提供了IndexOf和lastIndexOf方法來檢索元素的，它們分別是從頭和尾開始，一個一個比較的，那么顯然，使用Collections#binarySearch在大多數情況效率會比 IndexOf和lastIndexOf更快～

細節3：大多數情況下，我們都應該指定ArrayList的初始容量

如果說上面所介紹的細節大部分童鞋都知道，那這個細節相信很多人都不知道，包括在看源碼之前的我。在講為什么之前，我們需要先來了解ArrayList的擴容機制。

ArrayList每次擴容至少為原來容量大小的1.5倍，其默認容量是10，當你不為其指定初始容量時，它就會創建默認容量大小為10的數組：

// 默認最小容量 private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;// 空數組 private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};// 默認容量空數組，可以理解為一個標記 private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};// 指定最小容量創建列表 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);} }// 創建默認空列表 public ArrayList() {this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA; // 默認容量空數組 } 復制代碼

我們經常使用ArrayList的默認構造函數來創建實例，等等，不是說不指定初始容量會創建默認容量大小為10的數組嗎？但這里只賦值了空數組。是的，還記得我們上面分析的add源碼有個擴容操作嗎？如果使用默認構造函數來創建實例，在第一次添加元素時，就會進行擴容，擴容到默認容量10的數組：

// 每次添加元素都會調用 private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {// 如果為默認容量空數組的話，添加元素時，至少擴容到默認最小容量minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);}ensureExplicitCapacity(minCapacity); }private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {modCount++;// overflow-conscious codeif (minCapacity - elementData.length > 0) // 大于當前容量就擴容grow(minCapacity); }// 擴容 private void grow(int minCapacity) {// overflow-conscious codeint oldCapacity = elementData.length;int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1); // 1.5倍原來大小// 先嘗試擴容到1.5倍原來容量的大小，如果比用戶指定的大，那么就擴容1.5倍// 否則擴容用戶指定的if (newCapacity - minCapacity < 0)newCapacity = minCapacity;if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);// minCapacity is usually close to size, so this is a win:elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity); } 復制代碼

所謂“擴容”就是創建一個長度更大的數組，再把舊數組的元素全部賦值到新數組。顯然，這個操作效率也是不理想的。雖然使用默認構造函數創建的實例，在第一次添加元素的擴容并沒有元素復制，但還是要另外創建一個數組，并且是大小為10的數組，可能你并不需要這么大的數組，可能是3，可能是5，那么我們為何不一開始就指定其容量呢？

指定初始容量的方法也很簡單，我們使用帶int參數的構造函數就可以了：

// 指定最小容量創建列表 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);} } 復制代碼

或者有童鞋會說，使用ensureCapacity指定容量也行，其實不然，為何ensureCapacity對容量大小有限制：

// 指定最小容量 public void ensureCapacity(int minCapacity) {int minExpand = (elementData != DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA)// any size if not default element table? 0// larger than default for default empty table. It's already// supposed to be at default size.: DEFAULT_CAPACITY;// 指定最小容量成功的情況// 1.使用 new ArrayList() 創建實例并添加元素前，指定容量大小不能小于默認容量10// 2.列表已存在元素，指定容量大小不能小于當前容量大小if (minCapacity > minExpand) {ensureExplicitCapacity(minCapacity);} } 復制代碼

所以講到這，相信大家有答案了，為什么創建ArrayList要指定其初始容量？顯然我們是不希望它進行耗時的擴容操作，并且能在我們預知的情況下盡量使用大小剛剛好的列表，而不浪費任何資源。 那么我們可以得到以下經驗：

• 都不應該使用默認構造函數創建實例，以免自動擴容到默認最小容量（10）
• 當列表容量確定，應該指定容量的方式創建實例
• 當列表容量不確定時，可以預估我們將有會多少元素，指定稍大于預估值的容量

Vector和Stack的細節

Vector和Stack我們幾乎是不使用的了，所以并不打算用大篇幅來介紹，我們大概了解下就可以了。但我們可以探索下他們為何不受待見，從而引以為戒。

細節1：Vector也是基于數組實現，同樣支持快速訪問，并且線程安全

因為跟ArrayList一樣，都是基于數組實現，所以ArrayList具有的優勢和劣勢Vector同樣也有，只是Vector在每個方法都加了同步鎖，所以它是線程安全的。但我們知道，同步會大大影響效率的，所以在不需要同步的情況下，Vector的效率就不如ArrayList了。所以我們在不需要同步的情況下，優先選擇ArrayList；而在需要同步的情況下，也不是使用Vector，而是使用SynchronizedList（后面講到）。你看，Vector處于一個很尷尬的地步。但我個人覺得，Vector被遺棄的最大原因不在于它線程同步影響效率——因為這畢竟能在多線程環境下使用——而在于它的擴容機制上。

細節2：Vector的擴容機制不完善

Vector默認容量也是10，跟ArrayList不同的是，Vector每次擴容的大小是可以指定的，如果不指定，每次擴容原來容量大小的2倍：

protected Object[] elementData; // 元素數組protected int elementCount; // 元素數量protected int capacityIncrement; // 擴容大小public Vector(int initialCapacity, int capacityIncrement) {super();if (initialCapacity < 0)throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+initialCapacity);this.elementData = new Object[initialCapacity];this.capacityIncrement = capacityIncrement; }public Vector(int initialCapacity) {this(initialCapacity, 0); // 默認擴容大小為0，那么擴容時會增大兩倍 }public Vector() {this(10); // 默認容量為10 }public synchronized void ensureCapacity(int minCapacity) {if (minCapacity > 0) {modCount++;ensureCapacityHelper(minCapacity);} }private void ensureCapacityHelper(int minCapacity) {// overflow-conscious codeif (minCapacity - elementData.length > 0) // 大于當前容量就擴容grow(minCapacity); }private void grow(int minCapacity) {// overflow-conscious codeint oldCapacity = elementData.length;int newCapacity = oldCapacity + ((capacityIncrement > 0) ? capacityIncrement : oldCapacity); // 默認擴容兩倍if (newCapacity - minCapacity < 0)newCapacity = minCapacity;if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity); } 復制代碼

另外需要提醒注意的是，不像ArrayList，如果是用Vector的默認構造函數創建實例，那么第一次添加元素就需要擴容，但不會擴容到默認容量10，只會根據用戶指定或兩倍的大小擴容。所以使用Vector時指不指定擴容大小都很尷尬：

• 如果容量大小和擴容大小都不指定，開始可能會頻繁地進行擴容
• 如果指定了容量大小不指定擴容大小，以2倍的大小擴容會浪費很多資源
• 如果指定了擴容大小，擴容大小就固定了，不管數組多大，都按這大小來擴容，那么這個擴容大小的取值總有不理想的時候

從Vector我們也可以反觀ArrayList設計巧妙的地方，這也許是Vector存在的唯一價值了哈哈。

細節3：Stack繼承于Vector，在其基礎上擴展了棧的方法

Stack我們也不使用了，它只是添加多幾個棧常用的方法（這個LinkedList也有，后面討論），簡單來看下它們的實現吧：

// 進棧 public E push(E item) {addElement(item);return item; }// 出棧 public synchronized E pop() {E obj;int len = size();obj = peek();removeElementAt(len - 1);return obj; }public synchronized E peek() {int len = size();if (len == 0)throw new EmptyStackException();return elementAt(len - 1); } 復制代碼

LinkedList的細節

再來看看我們熟悉的LinkedList的細節～

細節1：LinkedList基于鏈表實現，插入刪除元素效率快，訪問元素效率慢

LinkedList內部維護一個雙端鏈表，可以從頭開始檢索，也可以從尾開始檢索。同樣的，得益于鏈表這一數據結構，LinkedList在插入和刪除元素效率非常快。

插入元素只需新建一個node，再把前后指針指向對應的前后元素即可：

// 鏈尾追加 void linkLast(E e) {final Node<E> l = last;final Node<E> newNode = new Node<>(l, e, null);last = newNode;if (l == null)first = newNode;elsel.next = newNode;size++;modCount++; }// 指定節點前插入 void linkBefore(E e, Node<E> succ) {// assert succ != null;// 插入節點，succ為Index的節點，可以看到，是插入到index節點的前一個節點final Node<E> pred = succ.prev;final Node<E> newNode = new Node<>(pred, e, succ);succ.prev = newNode;if (pred == null)first = newNode;elsepred.next = newNode;size++;modCount++; }public void add(int index, E element) {checkPositionIndex(index);if (index == size)linkLast(element);elselinkBefore(element, node(index)); } 復制代碼

同樣，刪除元素只要把刪除節點的鏈剪掉，再把前后節點連起來就搞定了：

E unlink(Node<E> x) {// assert x != null;final E element = x.item;final Node<E> next = x.next;final Node<E> prev = x.prev;if (prev == null) {// 鏈頭first = next;} else {prev.next = next;x.prev = null;}if (next == null) {// 鏈尾last = prev;} else {next.prev = prev;x.next = null;}x.item = null;size--;modCount++;return element; }public E remove(int index) {checkElementIndex(index);return unlink(node(index)); } 復制代碼

但由于鏈表我們只知道頭和尾，中間的元素要遍歷獲取的，所以導致了訪問元素時，效率就不好了：

Node<E> node(int index) {// 使用了二分法if (index < (size >> 1)) { // 如果索引小于二分之一，從first開始遍歷Node<E> x = first;for (int i = 0; i < index; i++)x = x.next;return x;} else { // 如果索引大于二分之一，從last開始遍歷Node<E> x = last;for (int i = size - 1; i > index; i--)x = x.prev;return x;} }public E get(int index) {checkElementIndex(index);return node(index).item; } 復制代碼

所以，LinkedList和ArrayList剛好是互補的，所以具體場景，應考慮哪種操作最頻繁，從而選擇不同的List來使用。

細節2：LinkedList可以當作隊列和棧來使用

不知大家有沒注意到在圖2.2中，LinkedList非常“特立獨行地”繼承了Deque接口，而Deque又繼承于Queue接口，這隊列和棧的方法定義就是在這些接口中定義的，而LinkedList實現其方法，使自身具備了隊列的棧的功能。 當作隊列（先進先出）使用：

// 進隊 public boolean offerFirst(E e) {addFirst(e);return true; }// 出隊 public E pollLast() {final Node<E> l = last;return (l == null) ? null : unlinkLast(l); } 復制代碼

當作棧（后進又出）來使用：

// 進棧 public void push(E e) {addFirst(e); }// 出棧，如果為空列表，會拋出異常 public E pop() {return removeFirst(); } 復制代碼

SynchronizedList的細節

在Collections類中提供了很多線程線程的集合類，其實他們實現很簡單，只是在集合操作前，加一個鎖而已。

細節1：SynchronizedList繼承于SynchronizedCollection，使用裝飾者模式，為原來的List加上鎖，從而使List同步安全

先來看下SynchronizedCollection的定義：

static class SynchronizedCollection<E> implements Collection<E>, Serializable {private static final long serialVersionUID = 3053995032091335093L;final Collection<E> c; // 裝飾的集合final Object mutex; // 鎖SynchronizedCollection(Collection<E> c) {this.c = Objects.requireNonNull(c);mutex = this;}SynchronizedCollection(Collection<E> c, Object mutex) {this.c = Objects.requireNonNull(c);this.mutex = Objects.requireNonNull(mutex);} } 復制代碼

可以看到，可以指定一個對象作為鎖，如果不指定，默認就鎖了集合了。 再來看下我們關注的SynchronizedList：

static class SynchronizedList<E>extends SynchronizedCollection<E>implements List<E> {final List<E> list;SynchronizedList(List<E> list) {super(list);this.list = list;}SynchronizedList(List<E> list, Object mutex) {super(list, mutex);this.list = list;}...public E get(int index) {synchronized (mutex) {return list.get(index);}}public E set(int index, E element) {synchronized (mutex) {return list.set(index, element);}}public void add(int index, E element) {synchronized (mutex) {list.add(index, element);}}public E remove(int index) {synchronized (mutex) {return list.remove(index);}}... } 復制代碼

想不到SynchronizedList的實現是如此簡單，上面的源碼想必不用我多說了。

寫在最后

關于我們經常使用的List的細節到此就介紹完了，如果上面我有言論有誤或不嚴謹的，歡迎大家指正；如果有另外一些細節我沒談及到的，也歡迎大神們補充。

最后，我們來做一次總結：

• ArrayList和LinkedList適用于不同使用場景，應根據具體場景從優選擇
• 根據ArrayList的擴容機制，我們應該開始就指定其初始容量，避免資源浪費
• LinkedList可以當作隊列和棧使用，當然我們也可以進一步封裝
• 盡量不使用Vector和Stack，同步場景下，使用SynchronizedList替代

總結

以上是生活随笔為你收集整理的高手不得不知的Java集合List的细节的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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