一、List 基础概念
1.1 什么是 List?
List 就像是一个智能书架:
- 可以按顺序存放书籍(元素)
- 每本书都有固定位置(索引)
- 可以随时添加、取出或重新排列书籍
// 创建一个书架(List)
List<String> bookshelf = new ArrayList<>();
1.2 List 的核心特性
特性 | 说明 | 生活类比 |
---|---|---|
有序性 | 元素按添加顺序存储 | 书架上的书按放入顺序排列 |
可重复 | 允许相同元素多次出现 | 同一本书可以有多个副本 |
索引访问 | 通过位置编号快速获取元素 | 通过书架编号找书 |
动态扩容 | 自动调整存储空间 | 智能书架自动扩展 |
1.3 List 家族成员
二、List 基本操作
2.1 创建 List 的三种方式
// 方式1:标准创建(推荐)
List<String> fruits = new ArrayList<>();// 方式2:快速初始化
List<Integer> numbers = Arrays.asList(1, 2, 3, 4, 5);// 方式3:不可变列表(Java 9+)
List<String> colors = List.of("红", "绿", "蓝");
2.2 添加元素 - 丰富你的书架
fruits.add("苹果"); // 末尾添加
fruits.add(0, "香蕉"); // 指定位置插入
fruits.addAll(Arrays.asList("橙子", "葡萄")); // 批量添加System.out.println(fruits);
// 输出: [香蕉, 苹果, 橙子, 葡萄]
2.3 访问元素 - 查找书籍
// 获取单个元素
String firstFruit = fruits.get(0); // "香蕉"// 检查元素是否存在
boolean hasApple = fruits.contains("苹果"); // true// 查找元素位置
int appleIndex = fruits.indexOf("苹果"); // 1
2.4 修改元素 - 替换书籍
// 替换指定位置的元素
String oldFruit = fruits.set(1, "青苹果");
System.out.println("被替换的水果: " + oldFruit); // "苹果"
2.5 删除元素 - 清理书架
// 按索引删除
String removed = fruits.remove(0); // 删除"香蕉"// 按元素值删除
boolean isRemoved = fruits.remove("葡萄"); // true// 批量删除
fruits.removeAll(Arrays.asList("橙子", "青苹果"));// 清空书架
fruits.clear();
三、遍历 List 的多种方式
3.1 基础遍历方法
// 1. for循环(索引访问)
for (int i = 0; i < fruits.size(); i++) {System.out.println((i+1) + ". " + fruits.get(i));
}// 2. 增强for循环
for (String fruit : fruits) {System.out.println(fruit);
}
3.2 使用迭代器
// 3. Iterator遍历
Iterator<String> iterator = fruits.iterator();
while (iterator.hasNext()) {String fruit = iterator.next();if (fruit.equals("葡萄")) {iterator.remove(); // 安全删除}
}
3.3 Java 8+ 高级遍历
// 4. forEach方法
fruits.forEach(fruit -> System.out.println(fruit));// 5. 方法引用
fruits.forEach(System.out::println);// 6. 并行流遍历(大数据量)
fruits.parallelStream().forEach(fruit -> {// 并行处理逻辑
});
3.4 遍历性能对比
遍历方式 | 10万元素耗时 | 适用场景 |
---|---|---|
for循环 | 5ms | 需要索引时 |
增强for | 7ms | 简单遍历 |
Iterator | 8ms | 需要删除元素时 |
forEach | 10ms | 函数式编程 |
并行流 | 3ms | 大数据量处理 |
四、List 高级操作
4.1 排序操作
List<Integer> numbers = Arrays.asList(5, 2, 9, 1, 3);// 自然排序(升序)
Collections.sort(numbers);
// 输出: [1, 2, 3, 5, 9]// 自定义排序(降序)
numbers.sort((a, b) -> b - a);
// 输出: [9, 5, 3, 2, 1]// 对象排序
List<Book> books = new ArrayList<>();
books.add(new Book("Java编程", 99));
books.add(new Book("Python入门", 69));books.sort(Comparator.comparing(Book::getPrice));
4.2 过滤与转换
// 过滤高价水果
List<String> expensiveFruits = fruits.stream().filter(fruit -> fruit.length() > 2).collect(Collectors.toList());// 水果名称转大写
List<String> upperCaseFruits = fruits.stream().map(String::toUpperCase).collect(Collectors.toList());
4.3 数学统计
IntSummaryStatistics stats = numbers.stream().mapToInt(Integer::intValue).summaryStatistics();System.out.println("最大值: " + stats.getMax());
System.out.println("最小值: " + stats.getMin());
System.out.println("平均值: " + stats.getAverage());
System.out.println("总数: " + stats.getSum());
4.4 列表转换
// List转数组
String[] fruitArray = fruits.toArray(new String[0]);// 数组转List(不可修改)
List<String> fixedList = Arrays.asList(fruitArray);// 数组转List(可修改)
List<String> modifiableList = new ArrayList<>(Arrays.asList(fruitArray));
五、ArrayList 深度解析
5.1 内部结构
ArrayList 就像是一个智能伸缩书架:
// 简化版ArrayList实现
public class SimpleArrayList<E> {private Object[] elements; // 存储元素的数组private int size; // 当前元素数量public SimpleArrayList() {this.elements = new Object[10]; // 初始容量}public void add(E element) {// 当数组满时自动扩容if (size == elements.length) {Object[] newArray = new Object[elements.length * 2];System.arraycopy(elements, 0, newArray, 0, size);elements = newArray;}elements[size++] = element;}
}
5.2 扩容机制
5.3 性能特点
操作 | 时间复杂度 | 说明 |
---|---|---|
get(index) | O(1) | 直接通过索引访问 |
add(element) | O(1) | 平均时间复杂度 |
add(index, element) | O(n) | 需要移动后续元素 |
remove(index) | O(n) | 需要移动后续元素 |
contains(element) | O(n) | 需要遍历查找 |
六、LinkedList 深度解析
6.1 内部结构
LinkedList 就像是一个带前后指针的书本链:
// 简化版链表节点
class Node<E> {E item; // 当前元素Node<E> next; // 下一个节点Node<E> prev; // 上一个节点Node(Node<E> prev, E element, Node<E> next) {this.item = element;this.next = next;this.prev = prev;}
}
6.2 操作原理
// 在指定位置插入元素
public void add(int index, E element) {// 1. 找到目标位置的节点Node<E> target = getNode(index);// 2. 创建新节点Node<E> newNode = new Node<>(target.prev, element, target);// 3. 调整前后节点指针target.prev.next = newNode;target.prev = newNode;
}
6.3 性能对比 ArrayList
操作 | ArrayList | LinkedList | 适用场景 |
---|---|---|---|
随机访问 | ⚡️ 快 (O(1)) | 🐢 慢 (O(n)) | 需要频繁按索引访问 |
头部插入 | 🐢 慢 (O(n)) | ⚡️ 快 (O(1)) | 需要频繁在开头添加 |
尾部插入 | ⚡️ 快 (O(1)) | ⚡️ 快 (O(1)) | 在末尾添加 |
中间插入 | 🐢 慢 (O(n)) | ⚡️ 快 (O(1)) | 需要频繁在中间插入 |
内存占用 | 较少(仅需存储元素) | 较多(每个元素需要额外指针) | 内存敏感场景 |
七、实战应用案例
7.1 学生成绩管理系统
class Student {private String name;private int score;// 构造方法、getter/setter省略
}public class GradeSystem {private List<Student> students = new ArrayList<>();// 添加学生public void addStudent(Student student) {students.add(student);}// 按分数排序public void sortByScore() {students.sort(Comparator.comparingInt(Student::getScore).reversed());}// 查找前N名学生public List<Student> getTopStudents(int n) {return students.stream().sorted(Comparator.comparingInt(Student::getScore).reversed()).limit(n).collect(Collectors.toList());}// 统计分数分布public Map<String, Long> getScoreDistribution() {return students.stream().collect(Collectors.groupingBy(s -> {int score = s.getScore();if (score >= 90) return "优秀";if (score >= 80) return "良好";if (score >= 60) return "及格";return "不及格";},Collectors.counting()));}
}
7.2 购物车实现
class CartItem {private String productId;private String name;private double price;private int quantity;// 构造方法、getter/setter省略
}public class ShoppingCart {private List<CartItem> items = new LinkedList<>();// 添加商品public void addItem(CartItem newItem) {// 检查是否已存在for (CartItem item : items) {if (item.getProductId().equals(newItem.getProductId())) {item.setQuantity(item.getQuantity() + newItem.getQuantity());return;}}items.add(newItem);}// 更新数量public void updateQuantity(String productId, int newQuantity) {items.removeIf(item -> item.getProductId().equals(productId));if (newQuantity > 0) {items.add(new CartItem(productId, newQuantity));}}// 计算总价public double calculateTotal() {return items.stream().mapToDouble(item -> item.getPrice() * item.getQuantity()).sum();}// 生成订单public Order checkout() {Order order = new Order();order.setItems(new ArrayList<>(items));order.setTotal(calculateTotal());items.clear();return order;}
}
八、最佳实践与性能优化
8.1 选择正确的 List 实现
场景 | 推荐实现 | 理由 |
---|---|---|
读多写少 | ArrayList | 随机访问快 |
频繁增删 | LinkedList | 插入删除快 |
多线程环境 | CopyOnWriteArrayList | 线程安全 |
固定大小列表 | Arrays.asList() | 内存优化 |
不可变列表 | List.of() | 安全简洁 |
8.2 性能优化技巧
预分配容量(减少扩容开销)
// 预计存储1000个元素
List<String> largeList = new ArrayList<>(1000);
批量操作(减少方法调用)
// 差: 多次调用add
for (String item : items) {list.add(item);
}// 好: 批量添加
list.addAll(items);
避免在循环中调用size
// 差: 每次循环都调用size()
for (int i = 0; i < list.size(); i++) {// ...
}// 好: 缓存size值
int size = list.size();
for (int i = 0; i < size; i++) {// ...
}
使用subList视图
// 创建子列表视图(不复制数据)
List<String> sub = list.subList(0, 5);
九、常见问题与解决方案 (30分钟)
ConcurrentModificationException
问题:遍历时修改集合
List<String> list = new ArrayList<>(Arrays.asList("A", "B", "C"));
for (String s : list) {if ("B".equals(s)) {list.remove(s); // 抛出异常}
}
解决方案:
// 1. 使用Iterator的remove方法
Iterator<String> it = list.iterator();
while (it.hasNext()) {String s = it.next();if ("B".equals(s)) {it.remove(); // 安全删除}
}// 2. 使用Java 8+ removeIf
list.removeIf("B"::equals);// 3. 创建副本遍历
new ArrayList<>(list).forEach(s -> {if ("B".equals(s)) {list.remove(s);}
});
性能陷阱:LinkedList的随机访问
问题:
LinkedList<Integer> list = new LinkedList<>();
// 填充数据...// 随机访问性能差
for (int i = 0; i < list.size(); i++) {Integer value = list.get(i); // O(n)操作
}
解决方案
// 1. 使用迭代器
Iterator<Integer> it = list.iterator();
while (it.hasNext()) {Integer value = it.next();
}// 2. 使用增强for循环
for (Integer value : list) {// ...
}// 3. 转换为ArrayList(只读场景)
List<Integer> arrayList = new ArrayList<>(list);
对象相等性判断
问题:自定义对象在List中的行为
解决方案:
class Person {String name;@Overridepublic boolean equals(Object o) {if (this == o) return true;if (o == null || getClass() != o.getClass()) return false;Person person = (Person) o;return Objects.equals(name, person.name);}@Overridepublic int hashCode() {return Objects.hash(name);}
}