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Java List 使用详解：从入门到精通

news 2025/7/12 5:07:32

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);}
}