Java容器之List

在 Java 的集合框架中，List 是 Collection 的重要子接口，以其有序、可重复的特点广泛应用于开发中。本文将详细探讨 List 的核心概念、主要实现类（如 ArrayList 和 LinkedList）的底层原理，以及使用中需要注意的常见问题。

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List 简介

List 是一个接口，继承自 Collection，代表一个有序队列，允许元素重复。其核心特点是按照插入顺序存储元素，并支持通过索引快速访问。List 的抽象实现包括：

AbstractList：继承自 AbstractCollection，实现了 List 接口的大部分方法（除 size() 和 get(int) 外），为具体实现类提供基础支持。AbstractSequentialList：继承自 AbstractList，专注于链表操作，实现了基于索引的全部功能，适合顺序访问的场景。

常见的 List 实现类包括 ArrayList、LinkedList、Vector 和 Stack，其中 ArrayList 和 LinkedList 是日常开发中最常用的两种。

ArrayList 和 LinkedList

ArrayList：

基于动态数组实现，容量有限，超出时自动扩容（默认初始容量为 10，扩容为原大小的 1.5 倍）。随机访问快（时间复杂度 O(1)），但插入和删除较慢（受位置影响，可能需要移动大量元素）。非线程安全。

LinkedList：

基于双向链表实现，无容量限制。插入和删除快（头尾操作 O(1)，中间操作 O(n)），但随机访问慢（需遍历，O(n)）。非线程安全。 Vector 和 Stack Vector：与 ArrayList 类似，但通过 synchronized 方法实现线程安全，适用于并发场景。Stack：继承自 Vector，通过同步方法实现栈功能（LIFO，后进先出），也是线程安全的。

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ArrayList 详解 基本特性

ArrayList 是基于动态数组的实现，其定义如下：

public class ArrayList<E> extends AbstractList<E> implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable 实现 List 接口，支持所有列表操作。实现 RandomAccess 接口，支持快速随机访问。实现 Cloneable 和 Serializable，支持浅拷贝和序列化。非线程安全。 数据结构

ArrayList 的核心字段包括：

private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10; // 默认初始容量 transient Object[] elementData; // 存储元素的数组 private int size; // 当前元素个数 elementData：Object[] 数组，实际存储元素，支持随机访问。size：记录当前元素数量，默认初始容量为 10，超出时扩容。 构造方法

ArrayList 提供三种构造方式：

public ArrayList() { // 默认构造，初始化空数组 this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA; } public ArrayList(int initialCapacity) { // 指定初始容量 if (initialCapacity > 0) { this.elementData = new Object[initialCapacity]; } else if (initialCapacity == 0) { this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA; } else { throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: " + initialCapacity); } }

建议：初始化时指定容量，避免频繁扩容带来的性能开销。

扩容机制

添加元素时，若容量不足，ArrayList 会调用 grow() 方法扩容：

private void grow(int minCapacity) { int oldCapacity = elementData.length; int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1); // 扩容为 1.5 倍 if (newCapacity - minCapacity < 0) newCapacity = minCapacity; elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity); // 数组复制 }

扩容涉及数组复制，性能开销较大，因此合理设置初始容量非常重要。

操作效率 访问：get(int index) 通过数组下标直接访问，时间复杂度 O(1)。添加： add(E e)（尾部添加）：若无需扩容，O(1)；若扩容，O(n)。add(int index, E element)（指定位置）：需移动后续元素，O(n)。 删除：remove(int index) 需移动后续元素，O(n)，位置越靠前开销越大。 Fail-Fast 机制

ArrayList 使用 modCount 记录结构变更次数（增删操作或扩容）。迭代或序列化时，若 modCount 变化，则抛出 ConcurrentModificationException，这就是 fail-fast 机制。

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LinkedList 详解 基本特性

LinkedList 基于双向链表实现，其定义如下：

public class LinkedList<E> extends AbstractSequentialList<E> implements List<E>, Deque<E>, Cloneable, java.io.Serializable 实现 List 和 Deque，可用作列表、队列或栈。支持浅拷贝和序列化。非线程安全。 数据结构

LinkedList 使用双向链表，核心字段包括：

transient int size = 0; // 节点数 transient Node<E> first; // 头节点 transient Node<E> last; // 尾节点 private static class Node<E> { // 节点定义 E item; // 数据 Node<E> next; // 后继 Node<E> prev; // 前驱 ... } 操作效率 访问：get(int index) 需从头或尾遍历至目标位置，O(n)。建议使用迭代器遍历。添加： addFirst(E e)、addLast(E e)：头尾操作，O(1)。add(int index, E element)：需定位，O(n)。 删除：remove(Object o) 或 remove(int index) 需遍历定位，O(n)，但调整指针开销为 O(1)。 序列化

与 ArrayList 类似，LinkedList 使用 transient 修饰字段，并重写 writeObject 和 readObject，仅序列化有效节点。

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ArrayList vs. LinkedList 特性ArrayListLinkedList线程安全否否底层结构动态数组 (Object[])双向链表随机访问O(1)，支持 RandomAccessO(n)，不支持插入/删除尾部 O(1)，其他 O(n)头尾 O(1)，其他 O(n)内存占用预留空间浪费每个节点存储指针，占用更多

使用建议：ArrayList 适用于随机访问频繁的场景；LinkedList 适合频繁头尾操作的场景。但实际开发中，ArrayList 通常更常用，甚至 LinkedList 作者 Josh Bloch 也表示很少使用它。

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List 使用中的常见问题 Arrays.asList 的陷阱 问题 1：基本类型数组转换异常 int[] arr = {1, 2, 3}; List list = Arrays.asList(arr); // 输出: [[I@...], size=1

Arrays.asList 将 int[] 视为单一对象，而非元素集合。解决方法：

使用 Arrays.stream（Java 8+）：List<Integer> list = Arrays.stream(arr).boxed().collect(Collectors.toList()); 使用包装类型数组：Integer[] arr = {1, 2, 3}; List<Integer> list = Arrays.asList(arr); 问题 2：不支持增删操作

Arrays.asList 返回的 List 是 Arrays 内部类 ArrayList，未实现 add 和 remove，调用时抛出 UnsupportedOperationException。

问题 3：原始数组修改影响 List String[] arr = {"1", "2", "3"}; List<String> list = Arrays.asList(arr); arr[1] = "4"; // list 同步变为 ["1", "4", "3"]

解决方法：新建 ArrayList 包装：

List<String> list = new ArrayList<>(Arrays.asList(arr)); List.subList 的陷阱

subList 返回的子列表与原列表共享存储，修改一方会影响另一方，且原列表结构变更可能导致 ConcurrentModificationException。

示例：内存泄漏 List<Integer> rawList = IntStream.rangeClosed(1, 100000).boxed().collect(Collectors.toList()); List<Integer> subList = rawList.subList(0, 1); // rawList 无法被 GC 回收

解决方法：新建独立列表：

List<Integer> subList = new ArrayList<>(rawList.subList(0, 1)); 示例：并发修改异常 List<Integer> list = IntStream.rangeClosed(1, 10).boxed().collect(Collectors.toList()); List<Integer> subList = list.subList(1, 4); list.add(0); // 修改原列表 subList.forEach(System.out::println); // 抛出 ConcurrentModificationException

解决方法：

使用 new ArrayList<>(subList)。使用 Stream API：List<Integer> subList = list.stream().skip(1).limit(3).collect(Collectors.toList());

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总结

List 作为 Java 集合框架的重要组成部分，其实现类 ArrayList 和 LinkedList 各有优劣，开发者需根据场景选择合适的实现。同时，使用 Arrays.asList 和 subList 时需注意其潜在问题，避免踩坑。通过深入理解其底层原理和特性，我们可以更高效地编写健壮代码。