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大道至简
Java基础之对比 Vector、ArrayList、LinkedList 有何区别?

典型回答

这三者都是实现集合框架中的 List,也就是所谓的有序集合,因此具体功能也比较近似,比如都提供按照位置进行定位、添加或者删除的操作,都提供迭代器以遍历其内容等。但因为具体的设计区别,在行为、性能、线程安全等方面,表现又有很大不同。

Vector 是 Java 早期提供的线程安全的动态数组,如果不需要线程安全,并不建议选择,毕竟同步是有额外开销的。Vector 内部是使用对象数组来保存数据,可以根据需要自动的增加容量,当数组已满时,会创建新的数组,并拷贝原有数组数据。

ArrayList 是应用更加广泛的动态数组实现,它本身不是线程安全的,所以性能要好很多。与 Vector 近似,ArrayList 也是可以根据需要调整容量,不过两者的调整逻辑有所区别,Vector 在扩容时会提高 1 倍,而 ArrayList 则是增加 50%。

LinkedList 顾名思义是 Java 提供的双向链表,所以它不需要像上面两种那样调整容量,它也不是线程安全的。

考点分析

似乎从我接触 Java 开始,这个问题就一直是经典的面试题,前面我的回答覆盖了三者的一些基本的设计和实现。

一般来说,也可以补充一下不同容器类型适合的场景:

  • Vector 和 ArrayList 作为动态数组,其内部元素以数组形式顺序存储的,所以非常适合随机访问的场合。除了尾部插入和删除元素,往往性能会相对较差,比如我们在中间位置插入一个元素,需要移动后续所有元素。

  • 而 LinkedList 进行节点插入、删除却要高效得多,但是随机访问性能则要比动态数组慢。

所以,在应用开发中,如果事先可以估计到,应用操作是偏向于插入、删除,还是随机访问较多,就可以针对性的进行选择。这也是面试最常见的一个考察角度,给定一个场景,选择适合的数据结构,所以对于这种典型选择一定要掌握清楚。

考察 Java 集合框架,我觉得有很多方面需要掌握:

  • Java 集合框架的设计结构,至少要有一个整体印象。
  • Java 提供的主要容器(集合和 Map)类型,了解或掌握对应的数据结构、算法,思考具体技术选择。
  • 将问题扩展到性能、并发等领域。
  • 集合框架的演进与发展。

作为 Java 专栏,我会在尽量围绕 Java 相关进行扩展,否则光是罗列集合部分涉及的数据结构就要占用很大篇幅。这并不代表那些不重要,数据结构和算法是基本功,往往也是必考的点,有些公司甚至以考察这些方面而非常知名(甚至是“臭名昭著”)。

我这里以需要掌握典型排序算法为例,你至少需要熟知:

  • 内部排序,至少掌握基础算法如归并排序、交换排序(冒泡、快排)、选择排序、插入排序等。

  • 外部排序,掌握利用内存和外部存储处理超大数据集,至少要理解过程和思路。

考察算法不仅仅是如何简单实现,面试官往往会刨根问底,比如哪些是排序是不稳定的呢(快排、堆排),或者思考稳定意味着什么;对不同数据集,各种排序的最好或最差情况;从某个角度如何进一步优化(比如空间占用,假设业务场景需要最小辅助空间,这个角度堆排序就比归并优异)等,从简单的了解,到进一步的思考,面试官通常还会观察面试者处理问题和沟通时的思路。

以上只是一个方面的例子,建议学习相关书籍,如《算法导论》《编程珠玑》等,或相关教程。对于特定领域,比如推荐系统,建议咨询领域专家。单纯从面试的角度,很多朋友推荐使用一些算法网站如 LeetCode 等,帮助复习和准备面试,但坦白说我并没有刷过这些算法题,这也是仁者见仁智者见智的事情,招聘时我更倾向于考察面试者自身最擅长的东西,免得招到纯面试高手。

知识扩展我们先一起来理解集合框架的整体设计,为了有个直观的印象,我画了一个简要的类图。注意,为了避免混淆,我这里没有把 java.util.concurrent 下面的线程安全容器添加进来;也没有列出 Map 容器,虽然通常概念上我们也会把 Map 作为集合框架的一部分,但是它本身并不是真正的集合(Collection)。

所以,我今天主要围绕狭义的集合框架,其他都会在专栏后面的内容进行讲解

我们可以看到 Java 的集合框架,Collection 接口是所有集合的根,然后扩展开提供了三大类集合,分别是:

  • List,也就是我们前面介绍最多的有序集合,它提供了方便的访问、插入、删除等操作。

  • Set,Set 是不允许重复元素的,这是和 List 最明显的区别,也就是不存在两个对象 equals 返回 true。我们在日常开发中有很多需要保证元素唯一性的场合。

  • Queue/Deque,则是 Java 提供的标准队列结构的实现,除了集合的基本功能,它还支持类似先入先出(FIFO, First-in-First-Out)或者后入先出(LIFO,Last-In-First-Out)等特定行为。这里不包括 BlockingQueue,因为通常是并发编程场合,所以被放置在并发包里。

每种集合的通用逻辑,都被抽象到相应的抽象类之中,比如 AbstractList 就集中了各种 List 操作的通用部分。这些集合不是完全孤立的,比如,LinkedList 本身,既是 List,也是 Deque 哦。

如果阅读过更多源码,你会发现,其实,TreeSet 代码里实际默认是利用 TreeMap 实现的,Java 类库创建了一个 Dummy 对象“PRESENT”作为 value,然后所有插入的元素其实是以键的形式放入了 TreeMap 里面;同理,HashSet 其实也是以 HashMap 为基础实现的,原来他们只是 Map 类的马甲!

就像前面提到过的,我们需要对各种具体集合实现,至少了解基本特征和典型使用场景,以 Set 的几个实现为例:

  • TreeSet 支持自然顺序访问,但是添加、删除、包含等操作要相对低效(log(n) 时间)。

  • HashSet 则是利用哈希算法,理想情况下,如果哈希散列正常,可以提供常数时间的添加、删除、包含等操作,但是它不保证有序。

  • LinkedHashSet,内部构建了一个记录插入顺序的双向链表,因此提供了按照插入顺序遍历的能力,与此同时,也保证了常数时间的添加、删除、包含等操作,这些操作性能略低于 HashSet,因为需要维护链表的开销。

  • 在遍历元素时,HashSet 性能受自身容量影响,所以初始化时,除非有必要,不然不要将其背后的 HashMap 容量设置过大。而对于 LinkedHashSet,由于其内部链表提供的方便,遍历性能只和元素多少有关系。

我今天介绍的这些集合类,都不是线程安全的,对于 java.util.concurrent 里面的线程安全容器,我在专栏后面会去介绍。但是,并不代表这些集合完全不能支持并发编程的场景,在 Collections 工具类中,提供了一系列的 synchronized 方法,比如

static <T> List<T> synchronizedList(List<T> list)

我们完全可以利用类似方法来实现基本的线程安全集合:

List list = Collections.synchronizedList(new ArrayList());

它的实现,基本就是将每个基本方法,比如 get、set、add 之类,都通过 synchronizd 添加基本的同步支持,非常简单粗暴,但也非常实用。注意这些方法创建的线程安全集合,都符合迭代时 fail-fast 行为,当发生意外的并发修改时,尽早抛出 ConcurrentModificationException 异常,以避免不可预计的行为。

另外一个经常会被考察到的问题,就是理解 Java 提供的默认排序算法,具体是什么排序方式以及设计思路等。

这个问题本身就是有点陷阱的意味,因为需要区分是 Arrays.sort() 还是 Collections.sort() (底层是调用 Arrays.sort());什么数据类型;多大的数据集(太小的数据集,复杂排序是没必要的,Java 会直接进行二分插入排序)等。

  • 对于原始数据类型,目前使用的是所谓双轴快速排序(Dual-Pivot QuickSort),是一种改进的快速排序算法,早期版本是相对传统的快速排序,你可以阅读源码。

  • 而对于对象数据类型,目前则是使用TimSort,思想上也是一种归并和二分插入排序(binarySort)结合的优化排序算法。TimSort 并不是 Java 的独创,简单说它的思路是查找数据集中已经排好序的分区(这里叫 run),然后合并这些分区来达到排序的目的。

另外,Java 8 引入了并行排序算法(直接使用 parallelSort 方法),这是为了充分利用现代多核处理器的计算能力,底层实现基于 fork-join 框架(专栏后面会对 fork-join 进行相对详细的介绍),当处理的数据集比较小的时候,差距不明显,甚至还表现差一点;但是,当数据集增长到数万或百万以上时,提高就非常大了,具体还是取决于处理器和系统环境。

排序算法仍然在不断改进,最近双轴快速排序实现的作者提交了一个更进一步的改进,历时多年的研究,目前正在审核和验证阶段。

根据作者的性能测试对比,相比于基于归并排序的实现,新改进可以提高随机数据排序速度提高 10%~20%,甚至在其他特征的数据集上也有几倍的提高,有兴趣的话你可以参考具体代码和介绍:
http://mail.openjdk.java.net/pipermail/core-libs-dev/2018-January/051000.html

在 Java 8 之中,Java 平台支持了 Lambda 和 Stream,相应的 Java 集合框架也进行了大范围的增强,以支持类似为集合创建相应 stream 或者 parallelStream 的方法实现,我们可以非常方便的实现函数式代码。

阅读 Java 源代码,你会发现,这些 API 的设计和实现比较独特,它们并不是实现在抽象类里面,而是以默认方法的形式实现在 Collection 这样的接口里!这是 Java 8 在语言层面的新特性,允许接口实现默认方法,理论上来说,我们原来实现在类似 Collections 这种工具类中的方法,大多可以转换到相应的接口上。针对这一点,我在面向对象主题,会专门梳理 Java 语言面向对象基本机制的演进。

在 Java 9 中,Java 标准类库提供了一系列的静态工厂方法,比如,List.of()、Set.of(),大大简化了构建小的容器实例的代码量。根据业界实践经验,我们发现相当一部分集合实例都是容量非常有限的,而且在生命周期中并不会进行修改。但是,在原有的 Java 类库中,我们可能不得不写成:

ArrayList<String>  list = new ArrayList<>();
list.add("Hello");
list.add("World");

而利用新的容器静态工厂方法,一句代码就够了,并且保证了不可变性。

List<String> simpleList = List.of("Hello","world");

更进一步,通过各种 of 静态工厂方法创建的实例,还应用了一些我们所谓的最佳实践,比如,它是不可变的,符合我们对线程安全的需求;它因为不需要考虑扩容,所以空间上更加紧凑等。

如果我们去看 of 方法的源码,你还会发现一个特别有意思的地方:我们知道 Java 已经支持所谓的可变参数(varargs),但是官方类库还是提供了一系列特定参数长度的方法,看起来似乎非常不优雅,为什么呢?这其实是为了最优的性能,JVM 在处理变长参数的时候会有明显的额外开销,如果你需要实现性能敏感的 API,也可以进行参考。

今天我从 Verctor、ArrayList、LinkedList 开始,逐步分析其设计实现区别、适合的应用场景等,并进一步对集合框架进行了简单的归纳,介绍了集合框架从基础算法到 API 设计实现的各种改进,希望能对你的日常开发和 API 设计能够有帮助。