Java List 容器源码分析的补充

像一只狗
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Java List 容器源码分析的补充

之前我们通过分析源码的方式学习了 ArrayList 以及 LinkedList 的使用方法。但是在分析源码之余，总免不了去网上查找一些相关资料，站在前人的肩膀上，发现前两篇文章多多少少有些遗漏的地方，比如跟 ArrayList 很相似的 Vector 还没有提及过，所以本文想从面试中对于 List 相关问题出发，来填一填之前的坑，并对 List 家族中的实现类成员的异同点试着做出总结。

  1. Vector 介绍及与 ArrayList 的区别
  2. ArrayList 与 LinkedList 的区别
  3. Stack 类的介绍及实现一个简单的 Stack
  4. SynchronizedList 与 Vector的区别

Vector 介绍

Vector 是一个相当古老的 Java 容器类，始于 JDK 1.0，并在 JDK 1.2 时代对其进行修改，使其实现了 List 和 Collection 。从作用上来看，Vector 和 ArrayList 很相似，都是内部维护了一个可以动态变换长度的数组。但是他们的扩容机制却不相同。对于 Vector 的源码大部分都和 ArrayList 差不多，这里简单看下 Vector 的构造函数，以及 Vector 的扩容机制。

Vector 的构造函数可以指定内部数组的初始容量和扩容系数，如果不指定初始容量默认初始容量为 10，但是不同于 ArrayList 的是它在创建的时候就分配了容量为10的内存空间，而 ArrayList 则是在第一次调用 add 的时候才生成一个容量为 10 数组。

public Vector() {
   this(10);//创建一个容量为 10 的数组。
}
    
public Vector(int initialCapacity) {
   this(initialCapacity, 0);
}

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

// 此方法在 JDK 1.2 后添加
public Vector(Collection<? extends E> c) {
   elementData = c.toArray();//创建与参数集合长度相同的数组
   elementCount = elementData.length;
   // c.toArray might (incorrectly) not return Object[] (see 6260652)
   if (elementData.getClass() != Object[].class)
       elementData = Arrays.copyOf(elementData, elementCount, Object[].class);
}

对于 Vector的扩容机制，我们只需要看下内部的 grow 方法源码：

private void grow(int minCapacity) {
   // overflow-conscious code
   int oldCapacity = elementData.length;
   // 如果我们没有指定扩容系数，那么 newCapacity = 2 * oldCapacity 
   // 如果我们指定了扩容系数，那么每次增加指定的容量
   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);
}

由上边的方法结合我们的构造函数，我们便可知道 Vector 的需要扩容的时候，首先会判断 capacityIncrement 即在构造的 Vector 的时候时候指定了扩容系数，如果指定了则按照指定的系数来扩大容量，扩大后新的容量为 oldCapacity + capacityIncrement，如果没有指定capacityIncrement的大小，则默认扩大原来容量的一倍，这点不同于 ArrayList 的 0.5 倍长度。

对于 Vector 与 ArrayList 的区别最重要的一点是 Vector所有的访问内部数组的方法都带有synchronized ，这意味着 Vector 是线程安全的，而ArrayList 并没有这样的特性。

对于 Vector 而言，除了 for 循环，高级 for 循环，迭代的迭代方法外，还可以调用 elements() 返回一个 Enumeration 。

Enumeration 是一个接口，其内部只有两个方法hasMoreElements 和 nextElement，看上去和迭代器很相似，但是并没迭代器的 add remove，只能作用于遍历。

public interface Enumeration<E> {
    boolean hasMoreElements();
    E nextElement();
}
// Vector 的 elements 方法。
public Enumeration<E> elements() {
   return new Enumeration<E>() {
       int count = 0;

       public boolean hasMoreElements() {
           return count < elementCount;
       }

       public E nextElement() {
           synchronized (Vector.this) {
               if (count < elementCount) {
                   return elementData(count++);
               }
           }
           throw new NoSuchElementException("Vector Enumeration");
       }
   };
}

使用方法：

Vector<String> vector = new Vector<>();
vector.add("1");
vector.add("2");
vector.add("3");

Enumeration<String> elements = vector.elements();

while (elements.hasMoreElements()){
  System.out.print(elements.nextElement() + " ");
}

事实上，这个接口也是很古老的一个接口，JDK 为了适配老版本，我们可以调用类似 Enumeration<String> enumeration = Collections.enumeration(list); 来返回一个Enumeration 。其原理就是调用对应的迭代器的方法。

// Collections.enumeration 方法
public static <T> Enumeration<T> enumeration(final Collection<T> c) {
   return new Enumeration<T>() {
        // 构造对应的集合的迭代器
       private final Iterator<T> i = c.iterator();
        // 调用迭代器的 hasNext
       public boolean hasMoreElements() {
           return i.hasNext();
       }
       // 调用迭代器的 next
       public T nextElement() {
           return i.next();
       }
   };
}

Vector 与 ArrayList 的比较

  1. Vector 与 ArrayList 底层都是数组数据结构，都维护着一个动态长度的数组。
  2. Vector 对扩容机制在没有通过构造指定扩大系数的时候，默认增长现有数组长度的一倍。而 ArrayList 则是扩大现有数组长度的一半长度。
  3. Vector 是线程安全的, 而 ArrayList 不是线程安全的，在不涉及多线程操作的时候 ArrayList 要比 Vector 效率高
  4. 对于 Vector 而言，除了 for 循环，高级 for 循环，迭代器的迭代方法外，还可以调用 elements() 返回一个 Enumeration 来遍历内部元素。

ArrayList 与 LinkedList 的区别

我们先回过头来看下，这两个 List 的继承体系有什么不同：

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

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

可以看出 LinkedList 没有实现 RandomAccess 接口，我们知道RandomAccess 是一个空的标记接口，标志着实现类具有随机快速访问的特点。那么我们有必要重新认识下这个接口，根据 RandomAccess 的 Java API 说明：

公共接口 RandomAccess 标记接口用于List实现，以表明它们支持快速（通常是恒定时间）的随机访问。该接口的主要目的是允许通用算法改变其行为，以便在应用于随机或顺序访问列表时提供良好的性能。

我们可以意识到，随机访问和顺序访问之间的区别往往是模糊的。例如，如果列表很大时，某些 List 实现提供渐进的访问时间，但实际上是固定的访问时间，这样的 List 实现通常应该实现这个接口。作为一个经验法则， 如果对于典型的类实例，List实现应该实现这个接口：

 for（int i = 0，n = list.size（）; i <n; i ++）
         list.get（ⅰ）;

比这个循环运行得更快：

for（Iterator i = list.iterator（）; i.hasNext（）;）
         i.next（）;

上述 API 说有一个经验法则，如果 for 遍历某个 List 实现类的时候要比迭代器遍历运行的快，就需要实现 RandomAccess 随机快速访问接口，标识这个容器支持随机快速访问。通过这个理论我们可以猜测，LinkedList 不具有随机快速访问的特性，换句话说LinkedList 的 for 循环遍历要比 迭代器遍历慢。下面我们来测试一下：

 private static void loopList(List<Integer> list) {
   long startTime = System.currentTimeMillis();

   for (int i = 0; i < list.size(); i++) {
       list.get(i);
   }

   System.out.println(list.getClass().getSimpleName() + "使用普通for循环遍历时间为" +
           (System.currentTimeMillis() - startTime) + "ms");

   startTime = System.currentTimeMillis();

   Iterator<Integer> iterator = list.iterator();

   while (iterator.hasNext()) {
       iterator.next();
   }

   System.out.println(list.getClass().getSimpleName() + "使用iterator 循环遍历时间为" +
           (System.currentTimeMillis() - startTime) + "ms");
}

 public static void main(String[] args){
    //测试 10000个整数的访问速度
   List<Integer> arrayList = new ArrayList<Integer>(10000);
   List<Integer> linkedList = new LinkedList<Integer>();

   for (int i = 0; i < 10000; i++){
       arrayList.add(i);
       linkedList.add(i);
   }

   loopList(arrayList);
   loopList(linkedList);
   System.out.println();
}

我们来看下输出结果：

ArrayList使用普通for循环遍历时间为6ms
ArrayList使用iterator 循环遍历时间为4ms
LinkedList使用普通for循环遍历时间为133ms
LinkedList使用iterator 循环遍历时间为2ms

可以看出 LinkedList 的 for循环的确耗费时间很长，其实这并不难理解，结合上一篇我们分析 LinkedList 的源码的时候，看到的 get（int index）方法 :

public E get(int index) {
   checkElementIndex(index);
   return node(index).item;
}

node 方法内部根据 index 和 size/2 的大小作比较，来区分是从双链表的头节点开始寻找 index 位置的节点还是从尾部开始寻找，内部仍是 for 循环，而基于数组数据结构的 ArrayList 则不同了，在数组创建的时候，就可以很方便的通过索引去获取指定位置的元素了。所以 ArrayList 具有随机快速访问能力，而LinkedList没有。所以我们在使用 LinkedList 应尽量避免使用 for 循环去遍历。

至此我们可以对 LinkedList 和 ArrayList 的区别做出总结：

  1. ArrayList 是底层采用数组结构，存储空间是连续的。查询快，增删需要进行数组元素拷贝过程，当删除元素位置比较靠前的时候性能较低。

  2. LinkedList 底层是采用双向链表数据结构，每个节点都包含自己的前一个节点和后一个节点的信息，存储空间可以不是连续的。增删块，查询慢。

  3. ArrayList 和 LinkedList 都是线程不安全的。而 Vector 是线程安全的

  4. 尽量不要使用 for 循环去遍历一个LinkedList集合，而是用迭代器或者高级 for。

Stack 介绍

由开始的继承体系可以知道 Stack 继承自 Vector，也就是 Stack 拥有 Vector 所有的增删改查方法。但是我们一说 Stack 肯定就是指栈这中数据接口。

我们先来看下栈的定义：

栈（stack）又名堆栈，它是一种运算受限的线性表。其限制是仅允许在表的一端进行插入和删除运算。这一端被称为栈顶，相对地，把另一端称为栈底。向一个栈插入新元素又称作进栈、入栈或压栈，它是把新元素放到栈顶元素的上面，使之成为新的栈顶元素；从一个栈删除元素又称作出栈或退栈，它是把栈顶元素删除掉，使其相邻的元素成为新的栈顶元素。

简单来说，栈这种数据结构有一个约定，就是向栈中添加元素和从栈中取出元素只允许在栈顶进行，而且先入栈的元素总是后取出。 我们可以用数组和链表来实现栈的这种数据结构的操作。

一般来说对于栈有一下几种操作：

  1. push 入栈
  2. pop 出栈
  3. peek 查询栈顶
  4. empty 栈是否为空

Java 中的 Stack 容器是以数组为底层结构来实现栈的操作的，通过调用 Vector 对应的添加删除方法来实现入栈出站操作。

// 入栈
public E push(E item) {
   addElement(item);//调用 Vector 定义的 addElement 方法

   return item;
}
// 出栈
public synchronized E pop() {
   E       obj;
   int     len = size();

   obj = peek();
   removeElementAt(len - 1);//调用 Vector 定义的 removeElementAt 数组末尾的元素的方法 

   return obj;
}
// 查询栈顶元素
public synchronized E peek() {
   int     len = size();

   if (len == 0)
       throw new EmptyStackException();
   return elementAt(len - 1);//查询数组最后一个元素。
}

上边简单介绍了 Java 容器中的 Stack 实现，但是事实上官方并不推荐在使用这些陈旧的集合容器类。对于栈从数据结构上而言，相对于线性表，其实现也存在，顺序存储（数组），非连续存储（链表）的实现方法。而我们上一篇文章最后看到的 LinkedList 是可以取代 Stack来进行栈操作的。

最近在一个技术群里，有一位美团大佬说他面试了一个位 Android 开发者，考察了一下这个 Android 开发者对于栈的理解，考察的题目是自己实现一个简单栈，这个栈包含基本的peek ，push，pop 操作，结果不知道为何那个面试的人没有写出来，最终被 pass 掉了。所以在分析完 Stack 后，我决定自己手动尝试写一下这个面试题。我觉得我是面试官，如果回答者只写出了出栈入栈的操作方法应该算是不及格的，面试官关注的应该是在写 push 操作的时候有没有考虑过 StackOverFlow 也就是栈满的情况。

public class SimpleStack<E> {
    //默认容量
    private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
    //栈中存放元素的数组
    private Object[] elements;
    //栈中元素的个数
    private int size = 0;
    //栈顶指针
    private int top;


    public SimpleStack() {
        this(DEFAULT_CAPACITY);
    }

    public SimpleStack(int initialCapacity) {
        elements = new Object[initialCapacity];
        top = -1;
    }

    public boolean isEmpty() {
        return size == 0;
    }

    public int size() {
        return size;
    }

    @SuppressWarnings("unchecked")
    public E pop() throws Exception {
        if (isEmpty()) {
            throw new EmptyStackException();
        }

        E element = (E) elements[top];
        elements[top--] = null;
        size--;
        return element;
    }

    @SuppressWarnings("unchecked")
    public E peek() throws Exception {
        if (isEmpty()) {
            throw new Exception("当前栈为空");
        }
        return (E) elements[top];
    }

    public void push(E element) throws Exception {
        //添加之前确保容量是否满足条件
        ensureCapacity(size + 1);
        elements[size++] = element;
        top++;
    }

    private void ensureCapacity(int minSize) {
        if (minSize - elements.length > 0) {
            grow();
        }
    }

    private void grow() {
        int oldLength = elements.length;
        // 更新容量操作 扩充为原来的1.5倍 这里也可以选择其他方案
        int newLength = oldLength + (oldLength >> 1);
        elements = Arrays.copyOf(elements, newLength);
    }
}

同步 vs 非同步

对于 Vector 和 Stack 从源码上他们在对应的增删改查方法上都使用 synchronized关键字修饰了方法，这也就代表这个方法是同步方法，线程安全的。而 ArrayList 和 LinkedList 并不是线程安全的。不过我们在介绍 ArrayList 和 LinkedList 的时候提及到了我们可以使用Collections 的静态方法，将一个 List 转化为线程同步的 List：

List<Integer> synchronizedArrayList = Collections.synchronizedList(arrayList);
List<Integer> synchronizedLinkedList = Collections.synchronizedList(linkedList);

那么这里又有一道面试题是这样问的：

请简述一下 Vector 和 SynchronizedList 区别，

SynchronizedList 即Collections.synchronizedList(arrayList); 后生成的List 类型，它本身是 Collections 一个内部类。

我们来看下他的源码:

static class SynchronizedList<E>
        extends SynchronizedCollection<E>
        implements List<E> {
   private static final long serialVersionUID = -7754090372962971524L;

   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;
   }
   
   .....
}

对于 SynchronizedList 构造可以看到有一个 Object 的参数，但是看到 mutex 这个单词应该就明白了这个参数的含义了，就是同步锁，其实我们点击 super 方法可以看到，单个参数的构造函数锁就是其对象自身。

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);
}

接下来我们看看增删改查方法吧：

   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);}
   }

   public int indexOf(Object o) {
       synchronized (mutex) {return list.indexOf(o);}
   }
   public int lastIndexOf(Object o) {
       synchronized (mutex) {return list.lastIndexOf(o);}
   }

   public boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c) {
       synchronized (mutex) {return list.addAll(index, c);}
   }
   //注意这里没加 synchronized（mutex）
   public ListIterator<E> listIterator() {
       return list.listIterator(); // Must be manually synched by user
   }

   public ListIterator<E> listIterator(int index) {
       return list.listIterator(index); // Must be manually synched by user
   }

可以很清楚的看到，让一个集合变成线程安全的，Collocations 只是包装了参数集合的增删改查方法，加了同步的限制。与 Vector 相比可以看出来，两者第一个区别在于是同步方法还是同步代码块，对于这两个区别如下：

  1. 同步代码块在锁定的范围上可能比同步方法要小，一般来说锁的范围大小和性能是成反比的。
  2. 同步块可以更加精确的控制锁的作用域（锁的作用域就是从锁被获取到其被释放的时间），同步方法的锁的作用域就是整个方法。

由上述两个方法看出来，``Collections.synchronizedList(arrayList);生成的同步集合看起来更高效一些，其实这种差异在 Vector 和 ArrayList上体现的很不明显，因为其 add 方法内部实现大致相同。而从构造参数上来看Vector不能像SynchronizedList` 一样指定加锁对象。

而我们也看到了 SynchronizedList 并没有给迭代器进行加锁，但是翻看 Vector 的迭代器方法确实枷锁的，所以我们在使用SynchronizedList的的迭代器的时候需要手动做同步处理：

  synchronized (list) {
    Iterator i = list.iterator(); // Must be in synchronized block
    while (i.hasNext())
        foo(i.next());
 }

至此我们可以总结出 SynchronizedList与 Vector的三点差异：

  1. SynchronizedList 作为一个包装类，有很好的扩展和兼容功能。可以将所有的 List 的子类转成线程安全的类。
  2. 使用 SynchronizedList 的获取迭代器，进行遍历时要手动进行同步处理，而 Vector 不需要。
  3. SynchronizedList 可以通过参数指定锁定的对象，而 Vector 只能是对象本身。

总结

本文是继 ArrayList 和 LinkedList 源码分析完成后，针对List 这个家族进行的补充。我们分析了

  1. Vector 和 ArrayList 的区别。
  2. ArrayList和 LinkedList 的区别，引出了 RandomAccess 这个接口的定义，论证了 LinkedList 使用 for 循环遍历是低效的。
  3. Stack 继承自 Vector，操作也是线程安全的，但是同样比较老旧。而后分析了实现一个简单的 Stack 类的面试题。
  4. 最后我们从线程安全方面总结了 SynchronizedList与 Vector的三点差异。

这些知识貌似都是面试官爱问的问题，也是平时工作中容易忽略的问题。通过这篇文章做出相应总结，以备不时之需。

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