使用List

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在集合类中,List是最基础的一种集合:它是一种有序链表。

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size1

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size1

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<E>接口,可以看到几个主要的接口方法:

  • 在末尾添加一个元素:void add(E e)
  • 在指定索引添加一个元素:void add(int index, E e)
  • 删除指定索引的元素:int remove(int index)
  • 删除某个元素:int remove(Object e)
  • 获取指定索引的元素:E get(int index)
  • 获取链表大小(包含元素的个数):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ArrayListLinkedList

ArrayListLinkedList
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
内存占用较大

通常情况下,我们总是优先使用ArrayList

List的特点

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);
    }
}

创建List

除了使用ArrayListLinkedList,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<Integer> list = List.of(1, 2, 5);

但是List.of()方法不接受null值,如果传入null,会抛出NullPointerException异常。

遍历List

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ListIterator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Iterator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。

List和Array转换

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ArrayList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<T>并不是List接口定义的泛型参数<E>,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Integer,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<T[]> generator)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ArrayList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

练习

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suffle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;
    }
----
}

找出缺失的数字

小结

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。


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