【Java面试经典】谈谈你用过的集合（一）List

面试Java开发绕不过去的一个面试题就是集合，算是很基础的知识了，今天来总结一下。

当遇到这个题目的时候，需要全面的说一下，主要三部分，第一部分线性表List、第二部分Set、第三部分Map，我们今天主要来说第一部分。

当我们在回答这一类问题的时候，必须说明其存储结构、操作特点以及适用场景等。

我们主要说说数组、链表、栈和队列几部分；

ArrayList

我们常用的ArrayList就是由数组实现的，是一块连续的内存空间，我们来详细说说ArrayList的存储结构、操作特点以及试用场景

1. 存储结构

1. • ArrayList 是基于数组实现的存储结构。在内存中，它会分配一块连续的空间来存储元素，就像一排紧密排列的盒子，每个盒子可以存放一个元素。例如，当创建一个初始容量为 10 的 ArrayList 时，Java 会在内存中开辟一块连续的空间来容纳这 10 个元素。它通过一个内部的数组（Object[] elementData）来实际存储元素，这个数组的大小会根据元素的添加和删除操作动态变化。每次扩容之后容量都会变为原来的 1.5 倍左右（oldCapacity 为偶数就是 1.5 倍，否则是 1.5 倍左右）奇偶不同，比如：10+10/2 = 15, 33+33/2=49。如果是奇数的话会丢掉小数.

2. 操作特点

1. • 随机访问：
   • • 由于其基于数组的特性，ArrayList 的随机访问速度非常快。可以通过索引直接访问元素，时间复杂度为 O (1)。例如，在一个存储学生成绩的 ArrayList 中，如果要查询第 5 个学生的成绩，能够迅速定位并获取。这是因为在内存中，元素是连续存储的，通过计算偏移量就可以快速找到指定索引的元素。
   • 插入和删除操作：
   • • 在列表末尾插入元素比较高效，时间复杂度近似为 O (1)。这是因为如果数组还有剩余空间，只需要将元素添加到数组的下一个空闲位置即可。但是，在中间或开头插入 / 删除元素效率较低，因为需要移动插入 / 删除位置之后的所有元素，时间复杂度为 O (n)。例如，在一个已经有 100 个元素的 ArrayList 中，在第 50 个元素位置插入一个新元素，那么从第 50 个元素往后的所有元素都要向后移动一位。
   • 扩容机制：
   • • 当 ArrayList 中的元素数量超过其当前容量时，它会进行扩容。通常情况下，会创建一个新的、更大的数组（一般是原来容量的 1.5 倍左右），然后将旧数组中的元素复制到新数组中。这个过程相对比较耗时，特别是当元素数量较多时。例如，一个容量为 10 的 ArrayList 已经存满了元素，当再添加一个元素时，它会创建一个新的容量可能为 15 的数组，然后将原来的 10 个元素复制过去，最后再添加新元素。

3. 适用场景

1. • 适用于频繁进行随机访问操作，而插入和删除操作相对较少的场景。比如存储一个应用程序的配置参数列表，这些参数在运行过程中很少修改，但可能会经常被读取。另外，在对数据进行排序操作时，由于其基于数组的结构，一些排序算法（如快速排序、冒泡排序等）在 ArrayList 上的实现效率也比较高，所以在需要对元素进行排序的场景下也比较适用。

LinkedList

LinkedList即是由链表实现的，双向列表，JDK1.6之前为循环链表，JDK1.7取消了循环。我们来详细说说LinkedList的存储结构、操作特点以及试用场景

1. 存储结构

1. • LinkedList 底层是基于双向链表（Doubly - Linked List）存储结构。它由一系列节点（Node）组成，每个节点包含三个部分：一个用于存储数据元素的字段、一个指向前一个节点（prev）的引用和一个指向后一个节点（next）的引用。这种结构就像一条链，每个链节（节点）都连接着前后的链节，使得数据元素可以按顺序排列，并且可以方便地从任何一个节点向前或向后遍历。

2. 操作特点

1. • 随机访问：
   • • 随机访问元素的速度较慢，因为没有像数组那样的直接索引访问方式。如果要访问第 n 个元素，需要从链表头（或尾）开始逐个遍历节点，时间复杂度为 O (n)。例如，要访问 LinkedList 中的第 5 个元素，可能需要从链表头部开始，沿着节点的引用逐个查找，经过 4 次节点间的跳转才能到达目标节点。
   • 插入和删除操作：
   • • 在链表的头部或尾部插入 / 删除元素效率很高，时间复杂度为 O (1)。这是因为在头部插入或删除只需要改变头节点的引用和新节点（如果是插入）的引用，在尾部操作类似。在中间插入 / 删除元素也比较高效，只需要调整相关节点的引用即可，时间复杂度为 O (1)（不考虑查找插入 / 删除位置的时间）。例如，在一个记录日志信息的 LinkedList 中，不断添加新的日志记录（在头部或尾部添加）非常方便，只需要更新相应的节点引用关系。
   • 遍历操作：
   • • 可以从头部或尾部开始双向遍历。从头部开始，通过每个节点的 next 引用向后遍历；从尾部开始，通过每个节点的 prev 引用向前遍历。这种双向遍历的特性在某些特定场景下非常有用，比如需要同时查看链表中前后相邻元素的情况。在JDK1.6之前 链表的头节点的prev指针指向尾节点，尾节点的next指针指向头节点 。这种循环双向链表结构提供了一种特殊的遍历方式，即可以从链表中的任意一个节点开始，通过不断地沿着prev和next指针进行遍历，能够在整个链表中循环访问节点。从 JDK 1.7 开始，LinkedList不再是循环链表，而是非循环的双向链表。头节点的prev指针为null，表示没有前驱节点，尾节点的next指针为null，表示没有后继节点。这种改变使得链表的基本操作（如插入、删除和访问）的代码逻辑更加简洁，减少了因为循环结构带来的复杂边界情况处理，同时也更符合大多数实际应用场景中对链表的使用方式。

3. 适用场景

1. • 适用于需要频繁进行插入和删除操作，特别是在链表头部或尾部进行操作，而对随机访问要求不高的场景。例如，实现一个简单的队列（在尾部添加元素，头部删除元素）或栈（在头部添加和删除元素）数据结构时，LinkedList 是很好的选择。还比如在一个图形用户界面（GUI）应用程序中管理用户操作的历史记录，每次用户进行一个操作就将其添加到 LinkedList 的头部或尾部，当用户需要撤销操作时，从头部或尾部删除相应的记录。

栈

栈是一种特殊的线性表，它只允许在一端进行插入和删除操作。这一端被称为栈顶（top），另一端则是栈底（bottom），我们通常使用数组或者链表来实现

Java 提供了java.util.Stack类来实现栈 。它继承自java.util.Vector类。

不过，在实际开发中，更推荐使用Deque接口（通常是ArrayDeque实现）来代替Stack，因为Stack类有一些历史遗留的设计问题（例如，它继承自Vector，这使得它继承了一些不必要的方法，并且这些方法可能不符合栈的严格语义）。

Deque接口和ArrayDeque实现

• java.util.Deque（双端队列）接口可以用于实现栈。ArrayDeque是Deque接口的一个实现类，它提供了高效的栈操作。
• ArrayDeque在内部是基于数组实现的，它在实现栈操作（如push、pop和peek）时具有很好的性能，时间复杂度为 O (1)。

1. 存储结构
2. • Deque 接口：
   • • Deque（双端队列）是一个接口，它定义了在双端进行插入和删除操作的方法集合，本身并没有规定具体的存储结构。它就像是一个抽象的规范，规定了双端队列应该具备的操作，如在头部插入（addFirst）、在头部删除（removeFirst）、在尾部插入（addLast）、在尾部删除（removeLast）等操作方法。
   • ArrayDeque 实现：
   • • ArrayDeque 是 Deque 接口的一个实现类，它在内部是基于数组实现的双端队列。它有一个存储元素的内部数组，并且维护了头（front）和尾（tail）指针（在逻辑上，不是传统意义的指针）来跟踪队列的两端。元素在数组中循环存储，当尾指针到达数组末尾后，下一个元素会 “循环” 到数组的开头部分继续存储，这种存储方式有效地利用了数组空间，避免了频繁的数组扩容和收缩操作。
3. 操作特点
4. • 插入操作：
   • • 在头部插入（addFirst）：当在 ArrayDeque 头部插入一个元素时，需要先调整头指针，然后将元素放置在新的头部位置。这个操作的时间复杂度为 O (1)，因为它主要涉及指针操作和简单的数组赋值。例如，在一个存储字符的 ArrayDeque 中，插入一个新的字符到头部非常迅速。
     • 在尾部插入（addLast）：在尾部插入元素时，同样要调整尾指针并放置元素，时间复杂度也是 O (1)。这使得在两端添加元素都很高效，例如在实现一个可以从两端添加数据的缓冲区时很有用。
   • 删除操作：
   • • 从头部删除（removeFirst）：删除头部元素时，先获取头部元素，然后调整头指针，时间复杂度为 O (1)。例如，从一个存储整数的 ArrayDeque 中删除头部整数操作很快。
     • 从尾部删除（removeLast）：删除尾部元素的操作类似，时间复杂度为 O (1)。这使得 ArrayDeque 在两端删除元素都很方便，适合用于需要从两端灵活删除元素的场景。
   • 查看操作：
   • • 查看头部元素（peekFirst）和查看尾部元素（peekLast）：这两个操作只是返回相应位置的元素，而不进行删除，时间复杂度为 O (1)。例如，在一个存储对象的 ArrayDeque 中，可以快速查看两端的对象。
5. 适用场景

• • 用户操作历史记录：
  • • 在图形用户界面（GUI）应用程序中，ArrayDeque 可以用于记录用户的操作历史。例如，在一个文本编辑器中，用户的每一个编辑操作（如插入文字、删除文字等）都可以通过addFirst操作添加到 ArrayDeque 中。当用户需要撤销操作时，通过removeFirst操作回退到上一个操作状态。同时，还可以通过peekFirst操作查看最近的操作，以便在界面上显示操作提示或者恢复选项。
  • 导航栏与面包屑路径：

  • • 在 Web 应用程序或者桌面应用程序的导航栏中，ArrayDeque 可以用于存储用户的浏览路径（面包屑路径）。当用户在不同的页面或者视图之间切换时，新的路径从一端添加，通过双端操作可以方便地实现前进和后退功能，为用户提供更好的导航体验。

队列

队列（Queue）的实现

• java.util.Queue接口和实现类
• • Java 提供了java.util.Queue接口，它定义了队列的基本操作。常见的实现类有LinkedList和ArrayDeque。
  • LinkedList基于链表实现，在实现队列操作（如offer（入队）、poll（出队）和peek（查看队头元素））时，特别是在头部和尾部进行操作，效率较高，时间复杂度为 O (1)。
  • ArrayDeque也可以作为队列来使用，它在内部是基于数组实现的，同样提供了高效的队列操作。