在集合类中,List
是最基础的一种集合:它是一种有序列表。
List
的行为和数组几乎完全相同:List内部按照放入元素的先后顺序存放,每个元素都可以通过索引确定自己的位置,List的索引和数组一样,从0开始。
数组和List类似,也是有序结构,如果我们使用数组,在添加和删除元素的时候,会非常不方便。例如,从一个已有的数组{‘A’, ‘B’, ‘C’, ‘D’, ‘E’}中删除索引为2的元素:
┌───┬───┬───┬───┬───┬───┐
│ A │ B │ C │ D │ E │ │
└───┴───┴───┴───┴───┴───┘
│ │
┌───┘ │
│ ┌───┘
│ │
▼ ▼
┌───┬───┬───┬───┬───┬───┐
│ A │ B │ D │ E │ │ │
└───┴───┴───┴───┴───┴───┘
这个“删除”操作实际上是把’C’后面的元素依次往前挪一个位置,而“添加”操作实际上是把指定位置以后的元素都依次向后挪一个位置,腾出来的位置给新加的元素。这两种操作,用数组实现非常麻烦。
因此,在实际应用中,需要增删元素的有序列表,我们使用最多的是ArrayList。实际上,ArrayList在内部使用了数组来存储所有元素。例如,一个ArrayList拥有5个元素,实际数组大小为6(即有一个空位):
size=5
┌───┬───┬───┬───┬───┬───┐
│ A │ B │ C │ D │ E │ │
└───┴───┴───┴───┴───┴───┘
当添加一个元素并指定索引到ArrayList时,ArrayList自动移动需要移动的元素:
size=5
┌───┬───┬───┬───┬───┬───┐
│ A │ B │ │ C │ D │ E │
└───┴───┴───┴───┴───┴───┘
然后,往内部指定索引的数组位置添加一个元素,然后把size加1:
size=6
┌───┬───┬───┬───┬───┬───┐
│ A │ B │ F │ C │ D │ E │
└───┴───┴───┴───┴───┴───┘
继续添加元素,但是数组已满,没有空闲位置的时候,ArrayList先创建一个更大的新数组,然后把旧数组的所有元素复制到新数组,紧接着用新数组取代旧数组:
size=6
┌───┬───┬───┬───┬───┬───┬───┬───┬───┬───┬───┬───┐
│ A │ B │ F │ C │ D │ E │ │ │ │ │ │ │
└───┴───┴───┴───┴───┴───┴───┴───┴───┴───┴───┴───┘
现在,新数组就有了空位,可以继续添加一个元素到数组末尾,同时size加1:
size=7
┌───┬───┬───┬───┬───┬───┬───┬───┬───┬───┬───┬───┐
│ A │ B │ F │ C │ D │ E │ G │ │ │ │ │ │
└───┴───┴───┴───┴───┴───┴───┴───┴───┴───┴───┴───┘
可见,ArrayList
把添加和删除的操作封装起来,让我们操作List类似于操作数组,却不用关心内部元素如何移动。
我们考察List
接口,可以看到几个主要的接口方法:
boolean add(E e)
boolean add(int index, E e)
E remove(int index)
boolean remove(Object e)
E get(int index)
int size()
但是,实现List接口并非只能通过数组(即ArrayList的实现方式)来实现,另一种LinkedList通过“链表”也实现了List接口。在LinkedList中,它的内部每个元素都指向下一个元素:
┌───┬───┐ ┌───┬───┐ ┌───┬───┐ ┌───┬───┐
HEAD ──>│ A │ ●─┼──>│ B │ ●─┼──>│ C │ ●─┼──>│ D │ │
└───┴───┘ └───┴───┘ └───┴───┘ └───┴───┘
我们来比较一下ArrayList
和LinkedList
:
ArrayList | LinkedList | |
---|---|---|
获取指定元素 | 速度很快 | 需要从头开始查找元素 |
添加元素到末尾 | 速度很快 | 速度很快 |
在指定位置添加/删除 | 需要移动元素 | 不需要移动元素 |
内存占用 | 少 | 较大 |
通常情况下,我们总是优先使用ArrayList
。
使用List时,我们要关注List
接口的规范。List
接口允许我们添加重复的元素,即List
内部的元素可以重复:
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
public class Main {
public static void main(String[] args) {
List<String> list = new ArrayList<>();
list.add("apple"); // size=1
list.add("pear"); // size=2
list.add("apple"); // 允许重复添加元素,size=3
System.out.println(list.size());
}
}
List还允许添加null:
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
public class Main {
public static void main(String[] args) {
List<String> list = new ArrayList<>();
list.add("apple"); // size=1
list.add(null); // size=2
list.add("pear"); // size=3
String second = list.get(1); // null
System.out.println(second);
}
}
除了使用ArrayList
和LinkedList
,我们还可以通过List
接口提供的of()
方法,根据给定元素快速创建List
:
List
但是List.of()
方法不接受null值,如果传入null,会抛出NullPointerExceptio
n异常。
和数组类型,我们要遍历一个List
,完全可以用for循环根据索引配合get(int)
方法遍历:
import java.util.List;
public class Main {
public static void main(String[] args) {
List<String> list = List.of("apple", "pear", "banana");
for (int i=0; i<list.size(); i++) {
String s = list.get(i);
System.out.println(s);
}
}
}
但这种方式并不推荐,一是代码复杂,二是因为get(int)
方法只有ArrayList
的实现是高效的,换成LinkedList
后,索引越大,访问速度越慢。
所以我们要始终坚持使用迭代器Iterator来访问List。Iterator本身也是一个对象,但它是由List的实例调用iterator()方法的时候创建的。Iterator对象知道如何遍历一个List,并且不同的List类型,返回的Iterator对象实现也是不同的,但总是具有最高的访问效率。
Iterator对象有两个方法:boolean hasNext()
判断是否有下一个元素,E next()返回下一个元素。因此,使用Iterator遍历List代码如下:
import java.util.Iterator;
import java.util.List;
public class Main {
public static void main(String[] args) {
List<String> list = List.of("apple", "pear", "banana");
for (Iterator<String> it = list.iterator(); it.hasNext(); ) {
String s = it.next();
System.out.println(s);
}
}
}
有童鞋可能觉得使用Iterator访问List的代码比使用索引更复杂。但是,要记住,通过Iterator遍历List永远是最高效的方式。并且,由于Iterator遍历是如此常用,所以,Java的for each循环本身就可以帮我们使用Iterator遍历。把上面的代码再改写如下:
import java.util.List;
public class Main {
public static void main(String[] args) {
List<String> list = List.of("apple", "pear", "banana");
for (String s : list) {
System.out.println(s);
}
}
}
上述代码就是我们编写遍历List的常见代码。
实际上,只要实现了Iterable
接口的集合类都可以直接用for each循环来遍历,Java编译器本身并不知道如何遍历集合对象,但它会自动把for each
循环变成Iterator
的调用,原因就在于Iterable
接口定义了一个Iterator
方法,强迫集合类必须返回一个Iterator
实例。
把List
变为Array
有三种方法,第一种是调用toArray()
方法直接返回一个Object[]
数组:
import java.util.List;
public class Main {
public static void main(String[] args) {
List<String> list = List.of("apple", "pear", "banana");
Object[] array = list.toArray();
for (Object s : array) {
System.out.println(s);
}
}
}
这种方法会丢失类型信息,所以实际应用很少。
第二种方式是给toArray(T[])
传入一个类型相同的Array
,List
内部自动把元素复制到传入的Array
中:
import java.util.List;
public class Main {
public static void main(String[] args) {
List<Integer> list = List.of(12, 34, 56);
Integer[] array = list.toArray(new Integer[3]);
for (Integer n : array) {
System.out.println(n);
}
}
}
注意到这个toArray(T[])
方法的泛型参数
并不是List
接口定义的泛型参数
,所以,我们实际上可以传入其他类型的数组,例如我们传入Number类型的数组,返回的仍然是Number类型:
import java.util.List;
public class Main {
public static void main(String[] args) {
List<Integer> list = List.of(12, 34, 56);
Number[] array = list.toArray(new Number[3]);
for (Number n : array) {
System.out.println(n);
}
}
}
但是,如果我们传入类型不匹配的数组,例如,String[]
类型的数组,由于List
的元素是Intege
r,所以无法放入String
数组,这个方法会抛出ArrayStoreException
。
如果我们传入的数组大小和List
实际的元素个数不一致怎么办?根据List接口的文档,我们可以知道:
如果传入的数组不够大,那么List
内部会创建一个新的刚好够大的数组,填充后返回;如果传入的数组比List元素还要多,那么填充完元素后,剩下的数组元素一律填充null
。
实际上,最常用的是传入一个“恰好”大小的数组:
Integer[] array = list.toArray(new Integer[list.size()]);
最后一种更简洁的写法是通过List接口定义的T[] toArray(IntFunction
方法:
Integer[] array = list.toArray(Integer[]::new)
;
这种函数式写法我们会在后续讲到。
反过来,把Array变为List就简单多了,通过List.of(T…)方法最简单:
Integer[] array = { 1, 2, 3 };
List<Integer> list = List.of(array);
对于JDK 11之前的版本,可以使用Arrays.asList(T...)
方法把数组转换成List。
要注意的是,返回的List不一定就是ArrayLis
t或者LinkedList
,因为List只是一个接口,如果我们调用List.of()
,它返回的是一个只读List:
import java.util.List;
public class Main {
public static void main(String[] args) {
List<Integer> list = List.of(12, 34, 56);
list.add(999); // UnsupportedOperationException
}
}
对只读List
调用add()
、remove()
方法会抛出UnsupportedOperationException
。
给定一组连续的整数,例如:10,11,12,……,20,但其中缺失一个数字,试找出缺失的数字:
import java.util.*;
public class Main {
public static void main(String[] args) {
// 构造从start到end的序列:
final int start = 10;
final int end = 20;
List<Integer> list = new ArrayList<>();
for (int i = start; i <= end; i++) {
list.add(i);
}
// 随机删除List中的一个元素:
int removed = list.remove((int) (Math.random() * list.size()));
int found = findMissingNumber(start, end, list);
System.out.println(list.toString());
System.out.println("missing number: " + found);
System.out.println(removed == found ? "测试成功" : "测试失败");
}
static int findMissingNumber(int start, int end, List<Integer> list) {
return 0;
}
}
增强版:和上述题目一样,但整数不再有序,试找出缺失的数字:
import java.util.*;
public class Main {
public static void main(String[] args) {
// 构造从start到end的序列:
final int start = 10;
final int end = 20;
List<Integer> list = new ArrayList<>();
for (int i = start; i <= end; i++) {
list.add(i);
}
// 洗牌算法shuffle可以随机交换List中的元素位置:
Collections.shuffle(list);
// 随机删除List中的一个元素:
int removed = list.remove((int) (Math.random() * list.size()));
int found = findMissingNumber(start, end, list);
System.out.println(list.toString());
System.out.println("missing number: " + found);
System.out.println(removed == found ? "测试成功" : "测试失败");
}
static int findMissingNumber(int start, int end, List<Integer> list) {
return 0;
}
}
List是按索引顺序访问的长度可变的有序表,优先使用ArrayList
而不是LinkedList
;
可以直接使用for each
遍历List
;
List
可以和Array
相互转换。