java之list源码浅析
三大数据结构链表、树和图，顺序表作为其中的一种，可以说是平时编程中最长使用到的。List接口是顺序表在java中的实现，它有很多子接口和实现类，平时的编程中使用起来非常方便。但是更进一步，我们有必要对其实现和原理进行理解，并和数据结构中所学比较，并应用于平时的编程中，编写出高效率的代码。
首先看下list接口的层次关系，下图由本人根据jdk的类结构简单画的：
从上图可以看出，list接口有Collection接口衍生而出，那么首先了解下Collection接口。
Collection
collection 是集合框架的根，他定义的集合操作的通用行为，如添加元素、批量添加、删除、批量删除、集合大小、包含、迭代器等。它的接口定义这里不再贴，在关系上，Collection是继承于Iterable接口的，其只有一个方法：
public interface Iterable {
/**
* Returns an {@link Iterator} for the elements in this object.
*
* @return An {@code Iterator} instance.
*/
Iterator iterator();
} 其中Iterator如下：
public interface Iterator {
public boolean hasNext();
public E next();
public void remove();
} AbstractCollection
AbstractCollection 是Collection接口的抽象实现，实现了其中大部分的功能。如下所示，我们实现自己的Collection只需要实现三个方法即可：
Collection c =
/**
*
*自定义实现示例，在AbstractCollection 中的一些方法的实现中，如Clear，调用了
*iterator()方法，而在这些方法在子类中，实现这是典型的template模式。
*
*/
new AbstractCollection() {
/* *
* 迭代器
*/
@Override
public Iterator iterator() {
// TODO Auto-generated method stub
return null;
}
/*
* 大小
*/
@Override
public int size() {
// TODO Auto-generated method stub
return 0;
}
/*
* 抽象实现是抛出异常，我们需要自己实现
*/
@Override
public boolean add(String e) {
return true;
}
}; 如下代码片段摘自AbstractCollection，调用了iterator方法，其中有很多类似代码,如addAll、removeAll、contains、toArray()等，这些实现只是基本的实现，子类中有更有效率的就会覆盖它。典型的可见后面的Arraylist的toArray()。
public void clear() {
Iterator e = iterator();
while (e.hasNext()) {
e.next();
e.remove();
}
} List
List接口表示数据结构中的链表，其继承collection接口，又往里面添加了一些链表操作的方法，主要是随机访问、删除、查找、专用的迭代器等，如下所示：
/**
随机获取
*/
E get(int index);
/**
* 随机设置值
*/
E set(int index, E element);
/**
* 随机添加
*/
void add(int index, E element);
/**
*随机移除
*/
E remove(int index);
// Search Operations
/**
* 查找
*/
int indexOf(Object o);
/**
* 从后查找
*/
int lastIndexOf(Object o);
// List Iterators
/**
*专用迭代
*/
ListIterator listIterator();
/**
* 从某个位置迭代
*/
ListIterator listIterator(int index);
// View
/**
* 子列表
*/
List subList(int fromIndex, int toIndex); AbstractList
这是List接口的抽象实现，和AbstractCollection类似，实现了基本的功能而把关键的方法延迟到子类中实现。如下所示一个示意子类：
List l = /**
*
*示例实现
*/
new AbstractList() {
/*
* 随机获取
*/
@Override
public String get(int index) {
return null;
}
/*
* 大小
*/
@Override
public int size() {
return 0;
}
/*
* 超类中实现抛出异常，表示不可变list
*
* 自己实现后变为可变
*/
@Override
public String set(int index, String element) {
return null;
}
/*
* 默认实现抛出异常
*/
@Override
public void add(int index, String element) {
}
/**
* 默认实现抛出异常
*/
@Override
public String remove(int index) {
return null;
}
}; ListIterator
List接口添加了新的方法，其中一个方法就是返回ListIterator,其扩展了iterator，增加了向前遍历的方法。主要链表是有序的。
其实现不多说，需要注意的就是迭代器失效问题，在list实现中，维护了一个字段modCount，当此list进行改变操作，如add/remove等的时候，此值会进行改变，当构造迭代器的时候，此值会在迭代器中保留一个副本，使用迭代器中的方法都会检查副本和list中的modCount是否一致，如果不一致，抛出迭代器异常。需要注意的是，java中的for each语法，经过编译后，是使用的迭代器。
如下部分源码示例：
private class Itr implements Iterator {
/** 此类是个内部类，直接访问abstractList的字段
* Index of element to be returned by subsequent call to next.
*/
int cursor = 0;
/**
* Index of element returned by most recent call to next or
* previous. Reset to -1 if this element is deleted by a call
* to remove.
*/
int lastRet = -1;
/**
* 注意这点
*/
int expectedModCount = modCount;
/**
*迭代器的next方法
*/
public E next() {
/**
*操作前进行检查
*/
checkForComodification();
try {
E next = get(cursor);
lastRet = cursor++;
return next;
} catch (IndexOutOfBoundsException e) {
checkForComodification();
throw new NoSuchElementException();
}
}
/**
*检查迭代器失效问题。
*/
final void checkForComodification() {
if (modCount != expectedModCount)
throw new ConcurrentModificationException();
}
} ArrayList
这是一般编程中最长使用的数据结构，基于数组实现的顺序表，但是数组可自动扩容。它直接继承于abstractList,故只研究其关键实现和方法。
数组存储
ArrayList是基于数组的存储，默认构造初始大小是10，后面我们会看到这个初始大小会一定程度上影响其性能：
/**
* The array buffer into which the elements of the ArrayList are stored.
* The capacity of the ArrayList is the length of this array buffer.
*/
private transient Object[] elementData;
public ArrayList(int initialCapacity) {
super();
if (initialCapacity < 0)
throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+
initialCapacity);
this.elementData = new Object[initialCapacity];
}
/**
* Constructs an empty list with an initial capacity of ten.
*/
public ArrayList() {
this(10);
}Add方法
List接口有两个add的重载方法，第一个是在list的末尾添加元素，第二个是随机位置添加元素，其自动扩展数据容量的方法是ensureCapacity(int),保证大小：
/**
* 此方法在父类中已经实现，但是arralylist覆盖了其实现，采用更加有效率的实现
*/
public boolean add(E e) {
ensureCapacity(size + 1); // Increments modCount!!
elementData[size++] = e;
return true;
}
/**
* 任意位置添加元素，相应的元素后移，保持链表的特性。
* 其中System.arrayCopy效率较高。
*
*/
public void add(int index, E element) {
if (index > size || index < 0)
throw new IndexOutOfBoundsException(
"Index: "+index+", Size: "+size);
ensureCapacity(size+1); // Increments modCount!!
System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,
size - index);
elementData[index] = element;
size++;
}
/**
* 保证list链表的大小，如果不足则扩容。
* 这个方法比较消耗性能，因此，如果实现可以知道或者预估AyyayList的大小，那么
* 可以在构造的时候设定合适的初始容量。
*/
public void ensureCapacity(int minCapacity) {
modCount++;
//获取旧的数组大小
int oldCapacity = elementData.length;
//比较，如果不足则扩容
if (minCapacity > oldCapacity) {
Object oldData[] = elementData;
int newCapacity = (oldCapacity * 3)/2 + 1;
if (newCapacity < minCapacity)
newCapacity = minCapacity;
// 调用效率较高的arraycopy
elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
}
}Vector
实现和ArraaylIst基本一致，只是在方法上加了同步操作，但需要注意其线程安全是相对的，比如一个线程进行add操作，另外一个线程迭代，肯定会出异常。
另外有个Stack继承Vector，添加了栈的相关方法，如push,和pop。
LinkedList
基于链表的顺序表，和ArrayList相比，其随机插入和删除的效率较高，因为其不需要扩容和移动元素操作，但是随机访问效率较低（随机访问需要从头节点遍历）。
AbstractSequentialList
LinkedList其继承于AbstractSequentialList，而其中AbstractSequentialList实现了abstractlist中的抽象方法，都是基于迭代器实现的，它同时把返回迭代器的方法覆盖为抽象方法。故LinkedList实现的关键在于迭代器，如下所示：
public abstract class AbstractSequentialList extends AbstractList {
/**
*基于迭代器实现的get
*/
public E get(int index) {
try {
return listIterator(index).next();
} catch (NoSuchElementException exc) {
throw new IndexOutOfBoundsException("Index: "+index);
}
}
/**
*基于迭代器实现的set
*/
public E set(int index, E element) {
try {
ListIterator e = listIterator(index);
E oldVal = e.next();
e.set(element);
return oldVal;
} catch (NoSuchElementException exc) {
throw new IndexOutOfBoundsException("Index: "+index);
}
}
/*
基于迭代器实现的add
*/
public void add(int index, E element) {
try {
listIterator(index).add(element);
} catch (NoSuchElementException exc) {
throw new IndexOutOfBoundsException("Index: "+index);
}
}
/**
* 基于迭代器实现的remove
*
*/
public E remove(int index) {
try {
ListIterator e = listIterator(index);
E outCast = e.next();
e.remove();
return outCast;
} catch (NoSuchElementException exc) {
throw new IndexOutOfBoundsException("Index: "+index);
}
}
public Iterator iterator() {
return listIterator();
}
/**
* Returns a list iterator over the elements in this list (in proper
* sequence).
*
*/
public abstract ListIterator listIterator(int index);
} LinkedList
Linkedlist除了实现了List接口，还实现了队列的相关接口，这里略过不提。由listiterator接口，可知linkedList也是一个可双向遍历的顺序表。
只需研究每个链表节点的结构和迭代器实现。
链表节点如下所示，是一个静态内部类：
private static class Entry {
E element;
Entry next;
Entry previous;
Entry(E element, Entry next, Entry previous) {
this.element = element;
this.next = next;
this.previous = previous;
}
} 其迭代器实现是一个内部类，接下来以其add操作说明，其他类似：
private class ListItr implements ListIterator {
private Entry lastReturned = header;
private Entry next;
private int nextIndex;
private int expectedModCount = modCount;
/**
* 构造的时候采用一个优化技巧，根据index决定从前还是从后遍历。
*/
ListItr(int index) {
if (index < 0 || index > size)
throw new IndexOutOfBoundsException("Index: "+index+
", Size: "+size);
if (index < (size >> 1)) {
next = header.next;
for (nextIndex=0; nextIndexindex; nextIndex--)
next = next.previous;
}
}
/*
* 链表插入，在构造此迭代器的时候，index就是插入的位置，故直接插入元素即可
*
* addbefor是ArrayList的方法，就是链表插入，指针改变的过程，这里不赘述。
*/
public void add(E e) {
checkForComodification();
lastReturned = header;
addBefore(e, next);
nextIndex++;
expectedModCount++;
}
final void checkForComodification() {
if (modCount != expectedModCount)
throw new ConcurrentModificationException();
}
}
/**
*AbstractSequentialList的方法，随机插入。首先构造从index开始的迭代器
*/
public void add(int index, E element) {
try {
listIterator(index).add(element);
} catch (NoSuchElementException exc) {
throw new IndexOutOfBoundsException("Index: "+index);
}
} CopyOnWriteArrayList
CopyOnWriteArrayList是java并发包中的一个工具类，在jdk1.5的时候被引入，单独一个它的内容足以写一篇文章，故这里不再展开，只是简要对其说明。
其基本思想从名称中可以看出，当进行写操作的时候，先复制复制出一个副本，写操作对副本进行。
读和遍历操作发生在操作发生的那一刻存在的副本上。
写操作的时候枷锁，读操作的时候不加锁。并通过java内存模型的语义，进行优雅的设计。
CopyOnWrite并发容器用于读多写少的并发场景。CopyOnWrite容器只能保证数据的最终一致性，不能保证数据的实时一致性。所以如果你希望写入的的数据，马上能读到，请不要使用CopyOnWrite容器。
具体可以参考一下文章：
聊聊并发-Java中的Copy-On-Write容器
Java内存模型happens-before俗解