Java 集合系列之二：List基本操做 java ArrayList的序列化分析何巧妙的使用ArrayList的Clone方法

時間 2019-12-06

標籤 java 集合系列之二 list 基本 arraylist 序列分析巧妙使用 clone 方法欄目 Java 简体版

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1. Java List

1. Java List重要觀點

Java List接口是Java Collections Framework的成員。
List容許您添加劇復元素。
List容許您擁有'null'元素。
List接口在Java 8中有許多默認方法，例如replaceAll，sort和spliterator。
列表索引從0開始，就像數組同樣。
List支持泛型（類型的參數化），咱們應儘量使用它。將Generics與List一塊兒使用將在運行時避免ClassCastException。

2. Java列表類圖

Java List接口擴展了Collection接口。Collection接口 externs Iterable接口。html

一些最經常使用的List實現類是ArrayList，LinkedList，Vector，Stack，CopyOnWriteArrayList。java

AbstractList提供了List接口的骨幹實現，以減小實現List的工做量。編程

3. Java List方法

int size（）：獲取列表中元素的數量。
boolean isEmpty（）：檢查列表是否爲空。
boolean contains（Object o）：若是此列表包含指定的元素，則返回true。
Iterator <E> iterator（）：以適當的順序返回此列表中元素的迭代器。
Object [] toArray（）：以適當的順序返回包含此列表中全部元素的數組
boolean add（E e）：將指定的元素追加到此列表的末尾。
boolean remove（Object o）：今後列表中刪除指定元素的第一個匹配項。
boolean retainAll（Collection <？> c）：僅保留此列表中包含在指定集合中的元素。
void clear（）：從列表中刪除全部元素。
E get（int index）：返回列表中指定位置的元素。
E set（int index，E element）：用指定的元素替換列表中指定位置的元素。
ListIterator <E> listIterator（）：返回列表中元素的列表迭代器。
List <E> subList（int fromIndex，int toIndex）：返回指定fromIndex（包含）和toIndex（不包括）之間的此列表部分的視圖。返回的列表由此列表支持，所以返回列表中的非結構更改將反映在此列表中，反之亦然。

在Java 8中添加到List的一些默認方法是;api

default void replaceAll（UnaryOperator <E>運算符）：將此列表的每一個元素替換爲將運算符應用於該元素的結果。
default void sort（Comparator <super E> c）：根據指定的Comparator引起的順序對此列表進行排序。
default Spliterator <E> spliterator（）：在此列表中的元素上建立Spliterator。

2. ArrayList

1. ArrayList 結構圖

ArrayList基於數組實現，是一個動態的數組鏈表。可是它和Java中的數組又不同，它的容量能夠自動增加，相似於C語言中動態申請內存，動態增加內存！
ArrayList繼承了AbstractList，實現了RandomAccess、Cloneable和Serializable接口！數組

實現了RandomAccess接口，提供了隨機訪問功能，實際上就是經過下標序號進行快速訪問，所以查找效率高。
實現了Cloneable接口，即覆蓋了函數clone()，實現淺拷貝。
實現了Serializable接口，支持序列化，也就意味了ArrayList可以經過序列化傳輸。

2. ArrayList 重要特色

本質實現：Object類型的動態的數組。
線程安全：非同步的。
列表長度：ArrayList中元素個數用size記錄。
擴展容量：初始化容量 = 10 ，最大容量不會超過 MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8！【Integer.MAX_VALUE = 0x7fffffff，換算成二進制： 2^31 - 1，十進制就是：2147483647，二十一億多。一些虛擬器須要在數組前加個頭標籤，因此減去 8 。當想要分配比 MAX_ARRAY_SIZE 大的個數就會報 OutOfMemoryError。】當ArrayList容量不足以容納所有元素時，ArrayList會從新設置容量：JDK1.6 int newCapacity = (oldCapacity * 3) /2 + 1; JDK1.8 int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1); 當容量不夠時，調用ensureCapacity(int minCapacity)方法調整列表容量，每次增長元素，都要將原來的元素拷貝到一個新的數組中，使用Arrays.copyOf(elementData, newCapacity)拷貝，很是之耗時，也所以建議在事先能肯定元素數量的狀況下，才使用ArrayList，不然建議使用LinkedList。咱們能夠主動調用 ensureCapcity 來增長 ArrayList 對象的容量，這樣就避免添加元素滿了時擴容、挨個複製後移等消耗。
3種構造方法：1）構造一個默認初始容量爲10的空列表; 2) 構造一個指定初始容量的空列表; 3) 構造一個包含指定collection的元素的列表，內部是Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class);。
5種存儲方法：1）set(int index, E element)、2）add(E e)、3）add(int index, E element)、4）addAll(Collection<? extends E> c)、5）addAll(int index, Collection<? extends E> c) 其中3,4,5調用了 System.arraycopy()。
2種刪除方法：1） remove(int index) ；2）remove(Object o)
轉換成數組：toArray()方法內部調用Arrays.copyOf(），toArray(T[] a)方法內部若是是部分轉換用Arrays.copyOf(），所有轉換用 System.arraycopy()。
遍歷方法：遍歷時 get 的效率要 >= 迭代器。
Fail-Fast機制：ArrayList 不是同步的，因此在併發訪問時，若是在迭代器迭代的同時有其餘線程修改了 ArrayList, fail-fast 的迭代器 Iterator/ListIterator 會報 ConcurrentModificationException 錯。所以咱們在併發環境下須要外部給 ArrayList 加個同步鎖，或者直接在初始化時用 Collections.synchronizedList 方法進行包裝。也可使用concurrent併發包下的CopyOnWriteArrayList類。快速失敗機制經過記錄modCount參數來實現。迭代器的快速失敗行爲應該僅用於檢測 bug。
序列化：ArrayList實現java.io.Serializable的方式。當寫入到輸出流時，先寫入「容量」，再依次寫入「每個元素」；當讀出輸入流時，先讀取「容量」，再依次讀取「每個元素」。那爲何ArrayList裏面的elementData爲何要用transient來修飾？不是由於ArrayList不能序列化和反序列化，是由於elementData裏面不是全部的元素都有數據，由於容量的問題，elementData裏面有一些元素是空的，這種是沒有必要序列化的。ArrayList的序列化和反序列化依賴writeObject和readObject方法來實現。能夠避免序列化空的元素。序列化size大小的元素。
克隆: ArrayList的本質是維護了一個Object的數組，因此克隆也是經過數組的複製實現的，屬於淺複製，調用的是Arrays.copyOf(）。若是你想要修改克隆後的集合，那麼克隆前的也會被修改。那麼就須要使用深複製。經過實現對象類的clone方法。
ArrayList的實現中大量地調用了Arrays.copyof()和System.arraycopy()方法。
ArrayList基於數組實現，能夠經過下標索引直接查找到指定位置的元素，所以查找效率高，但每次插入或刪除元素，就要大量地移動元素，插入刪除元素的效率低。
在查找給定元素索引值等的方法中，源碼都將該元素的值分爲null和不爲null兩種狀況處理，ArrayList中容許元素爲null。
indexOf和lastIndexOf 查找元素，若元素不存在，則返回-1！
適合讀數據多的場合。

2. LinkedList

1. LinkedList 結構圖

LinkedList是基於鏈表實現的，從源碼能夠看出是一個雙向鏈表。除了當作鏈表使用外，它也能夠被看成堆棧、隊列或雙端隊列進行操做。安全

LinkedList不是線程安全的，繼承AbstractSequentialList實現List、Deque、Cloneable、Serializable。數據結構

LinkedList繼承AbstractSequentialList，AbstractSequentialList 實現了get(int index)、set(int index, E element)、add(int index, E element) 和 remove(int index)這些函數。這些接口都是隨機訪問List的。
LinkedList 實現 List 接口，能對它進行隊列操做。
LinkedList 實現 Deque 接口，即能將LinkedList看成雙端隊列使用。
LinkedList 實現了Cloneable接口，即覆蓋了函數clone()，能克隆。
LinkedList 實現java.io.Serializable接口，這意味着LinkedList支持序列化，能經過序列化去傳輸。

2. LinkedList 重要特色

本質實現：底層使用一個Node數據結構，有先後兩個指針，雙向鏈表實現。
線程安全：非同步的。
列表長度：LinkedList中元素個數用size記錄。
列表容量：LinkedList是基於鏈表實現的，所以不存在容量不足的問題，因此這裏沒有擴容的方法。
內存：須要更多的內存，LinkedList 每一個節點中須要多存儲先後節點的信息，佔用空間更多些（previous element next）。
元素容許爲null。
Fail-Fast機制:同ArrayList相同。
遍歷方法：全部指定位置的操做都是從頭開始遍歷進行的。LinkedList是基於鏈表實現的，所以插入刪除效率高，查找效率低（雖然有一個加速動做）。源碼中先將index與長度size的一半比較，若是index<size/2，就只從位置0日後遍歷到位置index處，而若是index>size/2，就只從位置size往前遍歷到位置index處。這樣能夠減小一部分沒必要要的遍歷，從而提升必定的效率（實際上效率仍是很低）。Arrays.copyOf() 方法：
它適合刪除，插入較多的場景。

3. Vector

1. Vector 結構圖

Vector 類能夠實現可增加的對象數組。與數組同樣，它包含可使用整數索引進行訪問的組件。可是，Vector 的大小能夠根據須要增大或縮小，以適應建立 Vector 後進行添加或移除項的操做。Vector 是同步的，可用於多線程。多線程

Vector 繼承了AbstractList，實現了List；因此，它是一個隊列，支持相關的添加、刪除、修改、遍歷等功能。
Vector實現了RandmoAccess接口，即提供了隨機訪問功能。RandmoAccess是java中用來被List實現，爲List提供快速訪問功能的。在Vector中，咱們便可以經過元素的序號快速獲取元素對象；這就是快速隨機訪問。
Vector 實現了Cloneable接口，即實現clone()函數。它能被克隆。
Vector 實現Serializable接口，支持序列化。

2. Vector 重要特色

本質實現：可增加的對象數組。
線程安全：同步的，不少方法都加入了synchronized同步語句，來保證線程安全。
列表長度：elementCount表示實際元素的數量。（Vector 經過 capacity (容量) 和 capacityIncrement (增加數量) 來儘可能少的佔用空間）
列表容量：Vector初始化容量是10，擴容默認2倍。capacityIncrement 容量增加係數（向量的大小大於其容量時，容量自動增長的量），ensureCapacity(int minCapacity)調用ensureCapacityHelper(int minCapacity)若是此向量的當前容量小於 minCapacity，則經過將其內部數據數組（保存在字段 elementData 中）替換爲一個較大的數組來增長其容量。新數據數組的大小將爲原來的大小加上 capacityIncrement，若是容量的增量小於等於零，則每次須要增大容量時，向量的容量將增大一倍(編程原來的兩倍)，不過，若是此大小仍然小於 minCapacity，則新容量將爲 minCapacity。
Fail-Fast機制：Vector 的 iterator 和 listIterator 方法所返回的迭代器是快速失敗的：若是在迭代器建立後的任意時間從結構上修改了向量（經過迭代器自身的 remove 或 add 方法以外的任何其餘方式），則迭代器將拋出 ConcurrentModificationException。所以，面對併發的修改，迭代器很快就徹底失敗，而不是冒着在未來不肯定的時間任意發生不肯定行爲的風險。
Vector 的 elements 方法返回的 Enumeration 不是快速失敗的。
Vector 主要用在事先不知道數組的大小，或者只是須要一個能夠改變大小的數組的狀況。
最好在插入大量元素前增長 vector 容量，那樣能夠減小從新申請內存的次數。

3. Array vs Vector

共同點：併發

都是基於數組
都支持隨機訪問
默認容量都是 10
都有擴容機制

區別：dom

Vector 出生的比較早，JDK 1.0 就出生了，ArrayList JDK 1.2 纔出來
Vector 比 ArrayList 多一種迭代器 Enumeration
Vector 是線程安全的，ArrayList 不是
Vector 默認擴容 2 倍，ArrayList 是 1.5

若是沒有線程安全的需求，通常推薦使用 ArrayList，而不是 Vector，由於每次都要獲取鎖，效率過低。

4. Stack

1. Stack 結構圖

Stack 類表示後進先出（LIFO）的對象堆棧。它經過五個操做對類 Vector 進行了擴展，容許將向量視爲堆棧。它提供了一般的 push 和 pop 操做，以及取堆棧頂點的 peek 方法、測試堆棧是否爲空的 empty 方法、在堆棧中查找項並肯定到堆棧頂距離的 search 方法。
由於它繼承自Vector,那麼它的實現原理是以數組實現堆棧的。若是要以鏈表方式實現堆棧可使用LinkedList！（由於）

2. Stack 重要特色

Stack是棧。它的特性是：先進後出(FILO, First In Last Out)。
Stack實際上也是經過數組去實現的。實際調用的實現方法都是Vector中的方法！
push時(即，將元素推入棧中)，是經過將元素追加的數組的末尾中。
peek時(即，取出棧頂元素，不執行刪除)，是返回數組末尾的元素。
pop時(即，取出棧頂元素，並將該元素從棧中刪除)，是取出數組末尾的元素，而後將該元素從數組中刪除。
棧最大的長度取決於vector裏面數組能有多長。這裏vector裏面最大能取到Integer.MAX_VALUE。

5.CopyOnWriteArrayList（JUC）

1. CopyOnWriteArrayList 結構圖

CopyOnWrite容器即寫時複製的容器。通俗的理解是當咱們往一個容器添加元素的時候，不直接往當前容器添加，而是先將當前容器進行Copy，複製出一個新的容器，而後新的容器裏添加元素，添加完元素以後，再將原容器的引用指向新的容器。這樣作的好處是咱們能夠對CopyOnWrite容器進行併發的讀，而不須要加鎖，由於當前容器不會添加任何元素。因此CopyOnWrite容器也是一種讀寫分離的思想，讀和寫不一樣的容器。添加的時候是須要加鎖的.

2. CopyOnWriteArrayList重要特色

增刪改都須要得到鎖，而且鎖只有一把，而讀操做不須要得到鎖，支持併發。（而Vector讀也須要加鎖，性能差）
讀的時候不須要加鎖，若是讀的時候有多個線程正在向CopyOnWriteArrayList添加數據，讀仍是會讀到舊的數據，由於寫的時候不會鎖住舊的CopyOnWriteArrayList。
應用：CopyOnWrite併發容器用於讀多寫少的併發場景。好比白名單，黑名單，商品類目的訪問和更新場景。
缺點：即內存佔用問題（寫時複製機制->GC->應用響應時間長）和數據一致性問題（只能保證數據的最終一致性，不能保證數據的實時一致性）。
CopyOnWriteArrayList 是一個線程安全的 ArrayList，經過內部的 volatile 數組和顯式鎖 ReentrantLock 來實現線程安全。
CopyOnWriteArrayList 實現很是簡單。內部使用了一個 volatile 數組(array)來存儲數據，保證了多線程環境下的可見性。在更新數據時，都會新建一個數組，並將更新後的數據拷貝到新建的數組中，最後再將該數組賦值給 array。正因爲這個緣由，涉及到數據更新的操做效率很低。