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Java集合之List(超详细)

来源：步旅网

List是Java集合框架中一个非常重要的接口，它代表了一个有序的集合，允许元素重复，并且可以按照插入的顺序进行访问。

我们先来看看List在集合中的位置：

List是单列集合接口Collection下的一个分支，另两个分支是Set和Queue，三者的区别：

  • List集合中的元素是有序的、可重复的
  • Set集合中的元素无需、不可重复
  • Qeue集合中的元素遵循先进先出的规则

一，List的继承体系

List接口继承自Collection接口，位于java.util包中。

List是有序集合的抽象表示，Java发展至今，List体系已经非常庞杂。

从上图看出，JDK中，直接或间接继承List接口的有80个类。当然，我们无需一一学习，通过三个常用的实现类的学习掌握原理即可：ArrayList、LinkedList和Vector。

  • ArrayList：基于动态数组实现，提供了快速的随机访问。
  • LinkedList：基于双向链表实现，擅长插入和删除操作，尤其是表头和表尾的操作。
  • Vector：早期版本的线程安全列表，与ArrayList相似，但现在多被ArrayList取代，因同步开销较大。

二，List的常用操作及代码示例

1，创建List实例

import java.util.*;

public class ListDemo {
    public static void main(String[] args) {
        List<String> arrayList = new ArrayList<>(); // 创建ArrayList实例
        List<String> linkedList = new LinkedList<>(); // 创建LinkedList实例
    }
}

2，增加元素

  • add(E element)：在列表末尾添加元素。
  • add(int index, E element)：在指定位置插入元素。
arrayList.add("Apple");
linkedList.add(0, "Banana"); // 在首位插入

3，访问元素

  • 通过索引访问：get(int index)
  • 遍历：使用for-each循环或迭代器Iterator。
System.out.println(arrayList.get(0));
for (String fruit : arrayList) {
    System.out.println(fruit);
}

4，修改元素

  • 使用set(int index, E element)方法替换指定位置的元素。
arrayList.set(0, "Orange");

5，删除元素

  • remove(int index)：根据索引删除。
  • remove(Object o)：根据元素删除第一个匹配项。
arrayList.remove(0);
arrayList.remove("Orange");

6，判断与查找

  • contains(Object o)：判断是否包含某元素。
  • indexOf(Object o)：返回元素第一次出现的索引，未找到返回-1。
  • lastIndexOf(Object o)：List集合中的元素可重复，返回元素最后一次出现的索引，未找到返回-1。
boolean hasApple = arrayList.contains("Apple");
int index = arrayList.indexOf("Apple");
int index = arrayList.lastIndexOf("Apple");

7，大小与清空

  • size()：返回列表大小。
  • clear()：清空列表。
int size = arrayList.size();
arrayList.clear();

8，List集合的遍历

Java List 接口提供了多种方式来遍历其中的元素，以下是三种常见的遍历方式，每种方式都有相应的代码示例。

① 使用 for-each 循环

这是最简洁也是最常用的遍历方式，适用于Java 5及以后的版本。通过for-each循环，可以直接遍历List中的每个元素，而无需手动管理索引。

代码示例：

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

public class ListTraversal {
    public static void main(String[] args) {
        List<String> fruits = new ArrayList<>();
        fruits.add("Apple");
        fruits.add("Banana");
        fruits.add("Cherry");

        // 使用for-each循环遍历
        for (String fruit : fruits) {
            System.out.println(fruit);
        }
    }
}
并发修改异常ConcurrentModificationException

**注意，**使用for循环时，有可能会出现并发修改异常ConcurrentModificationException，如下面的例子，假设你有一个任务是遍历一个List，检查其中的元素，如果满足某个条件，就从List中删除该元素。

List<String> list = new ArrayList<>(Arrays.asList("A", "B", "C", "D"));

for (String item : list) {
    if ("B".equals(item)) {
        list.remove(item); // 这里会抛出ConcurrentModificationException
    }
}

Java集合框架中的许多类，如ArrayList和LinkedList，为了检测到并发修改，使用了所谓的“快速失败”机制：

  • ①当迭代器创建之后，集合会维护一个名为modCount的字段来记录集合的修改次数
  • ②每当集合通过迭代器之外的方式（如直接调用add或remove方法）发生修改时，modCount就会递增
  • ③迭代器在每次调用next或hasNext等方法时，都会检查这个计数器是否发生变化，如果发现modCount不等于它内部记录的初始修改次数，就会抛出ConcurrentModificationException

据此分析，上面的代码示例之所以会报错，是因为：

  • ①使用for循环时会创建迭代器，迭代器会缓存当前modCount的值
  • ②在循环中使用了remove，modCount的值发生了变化
  • ③下一循环时，迭代器会检查缓存的modCount值与真实的modCount值是否一致，不一致就会抛出错误
并发修改异常的解决办法
  • ①使用迭代器的remove方法

正确的做法是在迭代过程中使用迭代器的remove方法来删除元素，因为迭代器的remove方法会在删除元素后同时更新内部的修改计数，以保持一致性。

Iterator<String> iterator = list.iterator();
while (iterator.hasNext()) {
    String item = iterator.next();
    if ("B".equals(item)) {
        iterator.remove(); // 正确的删除方式
    }
}
  • ② 使用CopyOnWriteArrayList

对于多线程环境下的并发修改问题，可以考虑使用CopyOnWriteArrayList。这是一种线程安全的List实现，它通过在每次修改时创建集合的副本来避免并发修改异常，适合读多写少的场景。

List<String> list = new CopyOnWriteArrayList<>(Arrays.asList("A", "B", "C", "D"));
list.removeIf("B"::equals); // 线程安全的删除操作
  • ② 使用迭代器 Iterator

迭代器是一种更通用的遍历集合的方法，适用于所有实现了Iterable接口的集合，包括List。通过调用List的iterator()方法获取Iterator对象，然后使用hasNext()和next()方法进行遍历。

代码示例：

import java.util.ArrayList;
import java.util.Iterator;
import java.util.List;

public class ListTraversal {
    public static void main(String[] args) {
        List<String> fruits = new ArrayList<>();
        fruits.add("Apple");
        fruits.add("Banana");
        fruits.add("Cherry");

        // 使用迭代器遍历
        Iterator<String> iterator = fruits.iterator();
        while (iterator.hasNext()) {
            String fruit = iterator.next();
            System.out.println(fruit);
        }
    }
}
  • ③ 使用Java 8的Stream API

从Java 8开始，可以使用Stream API来遍历和处理集合中的元素，这种方式更加灵活，支持函数式编程风格。

代码示例：

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

public class ListTraversal {
    public static void main(String[] args) {
        List<String> fruits = new ArrayList<>();
        fruits.add("Apple");
        fruits.add("Banana");
        fruits.add("Cherry");

        // 使用Stream API遍历
        fruits.stream().forEach(System.out::println);
    }
}
④ 总结
  • for-each循环：简洁易读，最适合日常使用。
  • Iterator：提供了更多的控制权，比如在遍历时移除元素，但在大多数情况下不如for-each方便。
  • Stream API：功能强大，支持复杂的集合处理和并行处理，适合进行复杂的聚合操作和过滤操作。

9，List集合的排序

在Java中，对List集合中的元素进行排序可以通过多种方式实现，主要依赖于java.util.Collections类和List接口本身提供的排序方法。下面我将介绍几种常见的排序方法，并提供相应的代码示例。

  • ① 使用Collections.sort()方法

这是最直接的方式，适用于实现了Comparable接口的元素列表，进行自然排序。

代码示例（自然排序）：

import java.util.*;

class Person implements Comparable<Person> {
    String name;
    int age;

    Person(String name, int age) {
        this.name = name;
        this.age = age;
    }

    @Override
    public int compareTo(Person other) {
        return Integer.compare(this.age, other.age); // 按年龄排序
    }

    @Override
    public String toString() {
        return name + " " + age;
    }
}

public class SortListExample {
    public static void main(String[] args) {
        List<Person> people = new ArrayList<>();
        people.add(new Person("Tom", 25));
        people.add(new Person("Jerry", 20));
        people.add(new Person("Bob", 30));

        Collections.sort(people);

        for (Person person : people) {
            System.out.println(person);
        }
    }
}
  • ②使用Collections.sort()方法和自定义Comparator

如果列表中的元素没有实现Comparable接口，或者你想根据不同的规则进行排序，可以提供一个Comparator。

代码示例（自定义比较器排序）：

import java.util.*;

public class SortListExample {
    public static void main(String[] args) {
        List<String> names = Arrays.asList("Alice", "Bob", "Charlie");

        Collections.sort(names, new Comparator<String>() {
            @Override
            public int compare(String s1, String s2) {
                return s2.compareTo(s1); // 倒序排序
            }
        });

        names.forEach(System.out::println); // 输出：Charlie, Bob, Alice
    }
}
  • ③使用List自带的sort()方法

从Java 8开始，List接口直接提供了sort()方法，它同样接受Comparator来控制排序逻辑。

代码示例：

import java.util.*;

public class SortListExample {
    public static void main(String[] args) {
        List<Integer> numbers = Arrays.asList(3, 1, 4, 1, 5, 9);

        numbers.sort(Integer::compareTo); // 自然排序
        System.out.println(numbers); // 输出：[1, 1, 3, 4, 5, 9]

        numbers.sort(Collections.reverseOrder()); // 倒序排序
        System.out.println(numbers); // 输出：[9, 5, 4, 3, 1, 1]
    }
}
  • ④小结
  • 使用Collections.sort()适用于不支持Lambda表达式的较早Java版本。
  • 从Java 8开始，直接使用List的sort()方法配合Lambda表达式或方法引用来实现排序更为简洁。
  • 通过自定义Comparator，可以灵活地控制排序逻辑，适应不同的排序需求。

三，不同List实现的底层原理及区别

ArrayList

  • 底层原理：基于可变大小的数组实现，数组扩容时会创建新数组并复制旧数据。
  • 适用场景：当需要频繁查询元素，且元素数量变化不大时效率高。

LinkedList

  • 底层原理：每个元素都是一个节点，包含前驱和后继节点的引用，形成双向链表。
  • 适用场景：适合于频繁的插入和删除操作，尤其是在列表的开始或结尾。

Vector

  • 底层原理：与ArrayList相似，但Vector是线程安全的，通过在关键方法上加锁实现。
  • 区别与注意事项：由于同步操作，Vector在多线程环境下更安全，但并发访问时性能较低。现代开发中，推荐使用Collections.synchronizedList(List<T> list)或CopyOnWriteArrayList作为替代。

通过上述内容，我们不仅了解了List接口的继承体系、常用操作，还深入探讨了ArrayList、LinkedList和Vector这三种常见实现的底层原理及其应用场景。掌握这些知识，将有助于在实际开发中更加高效、灵活地使用List集合。

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