Java容器-ArrayList、Vector、LinkedList、CopyOnWriteArrayList

一、概览

容器主要包括 Collection 和 Map 两种，Collection 存储着对象的集合，而 Map 存储着键值对（两个对象）的映射表。

Collection

1. Set

• TreeSet：基于红黑树实现，支持有序性操作，例如根据一个范围查找元素的操作。但是查找效率不如 HashSet，HashSet 查找的时间复杂度为 O(1)，TreeSet 则为 O(logN)。

• HashSet：基于哈希表实现，支持快速查找，但不支持有序性操作。并且失去了元素的插入顺序信息，也就是说使用 Iterator 遍历 HashSet 得到的结果是不确定的。

• LinkedHashSet：具有 HashSet 的查找效率，并且内部使用双向链表维护元素的插入顺序。

2. List

• ArrayList：基于动态数组实现，支持随机访问。

• Vector：和 ArrayList 类似，但它是线程安全的。

• LinkedList：基于双向链表实现，只能顺序访问，但是可以快速地在链表中间插入和删除元素。不仅如此，LinkedList 还可以用作栈、队列和双向队列。

3. Queue

• LinkedList：可以用它来实现双向队列。

• PriorityQueue：基于堆结构实现，可以用它来实现优先队列。

Map

• TreeMap：基于红黑树实现。

• HashMap：基于哈希表实现。

• HashTable：和 HashMap 类似，但它是线程安全的，这意味着同一时刻多个线程同时写入 HashTable 不会导致数据不一致。它是遗留类，不应该去使用它，而是使用 ConcurrentHashMap 来支持线程安全，ConcurrentHashMap 的效率会更高，因为 ConcurrentHashMap 引入了分段锁。

• LinkedHashMap：使用双向链表来维护元素的顺序，顺序为插入顺序或者最近最少使用（LRU）顺序。

二、源码分析

ArrayList

特点：查询效率高，增删效率低，线程不安全。

1. 概览

因为 ArrayList 是基于数组实现的，所以支持快速随机访问。RandomAccess 接口标识着该类支持快速随机访问。

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

数组的默认大小为 10

/**
 * 默认初始容量大小
 */
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;

2. 扩容

添加元素时使用 ensureCapacityInternal() 方法来保证容量足够，如果不够时，需要使用 grow() 方法进行扩容，新容量的大小为 oldCapacity + (oldCapacity >> 1)，即

oldCapacity+oldCapacity/2。其中 oldCapacity >> 1 需要取整，所以新容量大约是旧容量的 1.5 倍左右。（oldCapacity 为偶数就是 1.5 倍，为奇数就是 1.5 倍-0.5）

扩容操作需要调用 Arrays.copyOf() 把原数组整个复制到新数组中，这个操作代价很高，因此最好在创建 ArrayList 对象时就指定大概的容量大小，减少扩容操作的次数。

测试代码：

final int count = 20 * 100000;
List<Integer> list = new ArrayList<>();
long begin = System.currentTimeMillis();
for(int i = 0; i < count ; i++) {
       list.add(i);
}
System.out.println("没有设置ArrayList初始容量： " + (System.currentTimeMillis() - begin) + " ms");
        
list = new ArrayList<>(count);
begin = System.currentTimeMillis();
for(int i = 0; i < count ; i++) {
       list.add(i);
}
System.out.println("设置了ArrayList初始容量： " + (System.currentTimeMillis() - begin) + " ms");


执行结果：

没有设置ArrayList初始容量： 89 ms

设置了ArrayList初始容量： 18 ms

public boolean add(E e) {
    ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
    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;
    int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
    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);
}

3. 删除元素

需要调用 System.arraycopy() 将 index+1 后面的元素都复制到 index 位置上，该操作的时间复杂度为 O(N)，可以看到 ArrayList 删除元素的代价是非常高的。

public E remove(int index) {
    rangeCheck(index);
    modCount++;
    E oldValue = elementData(index);
    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
    return oldValue;
}

删除其实跟新增是一样的，不过叫是叫删除，但是在代码里面我们发现，他还是在copy一个数组。

Vector

1. 同步

它的实现与 ArrayList 类似，但是使用了 synchronized 进行同步。

public synchronized boolean add(E e) {
    modCount++;
    ensureCapacityHelper(elementCount + 1);
    elementData[elementCount++] = e;
    return true;
}

public synchronized E get(int index) {
    if (index >= elementCount)
        throw new ArrayIndexOutOfBoundsException(index);

    return elementData(index);
}

2. 扩容

Vector 的构造函数可以传入 capacityIncrement 参数，它的作用是在扩容时使容量 capacity 增长 capacityIncrement。

如果这个参数的值小于等于 0，扩容时每次都令 capacity 为原来的两倍。

public Vector(int initialCapacity, int capacityIncrement) {
    super();
    if (initialCapacity < 0)
        throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+
                                           initialCapacity);
    this.elementData = new Object[initialCapacity];
    this.capacityIncrement = capacityIncrement;
}

private void grow(int minCapacity) {
    // overflow-conscious code
    int oldCapacity = elementData.length;
    int newCapacity = oldCapacity + ((capacityIncrement > 0) ?
                                     capacityIncrement : oldCapacity);
    if (newCapacity - minCapacity < 0)
        newCapacity = minCapacity;
    if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
        newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
    elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
}

调用没有 capacityIncrement 的构造函数时，capacityIncrement 值被设置为 0，也就是说默认情况下 Vector 每次扩容时容量都会翻倍。

public Vector(int initialCapacity) {
    this(initialCapacity, 0);
}

public Vector() {
    this(10);
}

 3. 与 ArrayList 的比较

• Vector 是同步的，因此开销就比 ArrayList 要大，访问速度更慢。最好使用 ArrayList 而不是 Vector，因为同步操作完全可以由程序员自己来控制；
• Vector 每次扩容请求其大小的 2 倍（也可以通过构造函数设置增长的容量），而 ArrayList 是 1.5 倍。

4. 替代方案

可以使用 Collections.synchronizedList(); 得到一个线程安全的 ArrayList。

List<String> list = new ArrayList<>();

List<String> synList = Collections.synchronizedList(list);

也可以使用 concurrent 并发包下的 CopyOnWriteArrayList 类。

List<String> list = new CopyOnWriteArrayList<>();

LinkedList

1. 概览

基于双向链表实现，使用 Node 存储链表节点信息。

private static class Node<E> {
    E item;
    Node<E> next;
    Node<E> prev;
}

每个链表存储了 first 和 last 指针：

transient Node<E> first;
transient Node<E> last;

2. 与 ArrayList 的比较

ArrayList 基于动态数组实现，LinkedList 基于双向链表实现。ArrayList 和 LinkedList 的区别可以归结为数组和链表的区别：

• 数组支持随机访问，但插入删除的代价很高，需要移动大量元素；
• 链表不支持随机访问，但插入删除只需要改变指针。

LinkedList补充：

LinkedList是一个实现了List接口和Deque接口的双端链表。 LinkedList底层的链表结构使它支持高效的插入和删除操作，

另外它实现了Deque接口，使得LinkedList类也具有队列的特性; LinkedList不是线程安全的，

如果想使LinkedList变成线程安全的，可以调用静态类Collections类中的synchronizedList方法：

List list=Collections.synchronizedList(new LinkedList(...));

LinkedList：https://github.com/wardseptember/notes/blob/master/docs/Java%E9%9B%86%E5%90%88%E5%8C%85/LinkedList%E6%BA%90%E7%A0%81%E5%88%86%E6%9E%90.md

廖雪峰官方网站讲解Deque的使用：

我们知道，Queue是队列，只能一头进，另一头出。

如果把条件放松一下，允许两头都进，两头都出，这种队列叫双端队列（Double Ended Queue），学名Deque。

Java集合提供了接口Deque来实现一个双端队列，它的功能是：

• 既可以添加到队尾，也可以添加到队首；
• 既可以从队首获取，又可以从队尾获取。

廖雪峰官方网站：https://www.liaoxuefeng.com/wiki/1252599548343744/1265122668445536

CopyOnWriteArrayList

1. 读写分离

写操作在一个复制的数组上进行，读操作还是在原始数组中进行，读写分离，互不影响。

写操作需要加锁，防止并发写入时导致写入数据丢失。

写操作结束之后需要把原始数组指向新的复制数组。

public boolean add(E e) {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lock();
    try {
        Object[] elements = getArray();
        int len = elements.length;
        Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
        newElements[len] = e;
        setArray(newElements);
        return true;
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

final void setArray(Object[] a) {
    array = a;
}


@SuppressWarnings("unchecked")
private E get(Object[] a, int index) {
    return (E) a[index];
}

2. 适用场景

CopyOnWriteArrayList 在写操作的同时允许读操作，大大提高了读操作的性能，因此很适合读多写少的应用场景。

但是 CopyOnWriteArrayList 有其缺陷：

• 内存占用：在写操作时需要复制一个新的数组，使得内存占用为原来的两倍左右；
• 数据不一致：读操作不能读取实时性的数据，因为部分写操作的数据还未同步到读数组中。

所以 CopyOnWriteArrayList 不适合内存敏感以及对实时性要求很高的场景。

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参考：

https://github.com/CyC2018/CS-Notes/blob/master/notes/Java%20%E5%AE%B9%E5%99%A8.md

https://github.com/wardseptember/notes/blob/master/docs/Java%E9%9B%86%E5%90%88%E5%8C%85/ArrayList%E6%BA%90%E7%A0%81%E5%88%86%E6%9E%90.md

https://github.com/frank-lam/fullstack-tutorial/blob/master/notes/JavaArchitecture/02-Java%E9%9B%86%E5%90%88%E6%A1%86%E6%9E%B6.md

敖丙：

https://github.com/AobingJava/JavaFamily

https://mp.weixin.qq.com/s/WoGclm7SsbURGigI3Mwr3w

https://mp.weixin.qq.com/s/3PNWmtS-bEZgZjd9wyMiDA