Java List 接口知识点详解

一、List 接口概述

1. 基本定义

• 继承关系：List 是 Java 集合框架（Collection Framework）中的一个有序队列接口，直接继承自 Collection 接口。
• 核心特性：
  • 有序性：元素按插入顺序存储，可通过索引（Index）访问元素。
  • 可重复性：允许存储重复元素。
  • 动态扩容：底层实现类（如 ArrayList、LinkedList）支持动态调整容量。

2. 与其他接口的区别

接口	有序性	重复性	数据结构	典型实现类
List	是	是	线性表	ArrayList、LinkedList
Set	否	否	集合（哈希表等）	HashSet、TreeSet
Queue	是	是	队列（FIFO）	LinkedList、PriorityQueue

二、List 接口核心方法

1. 元素操作方法

（1）添加元素

• boolean add(E e)：向列表末尾添加元素，成功返回 true。

List list = new ArrayList<>();
list.add("Apple"); // 添加到末尾

void add(int index, E element)：在指定索引处插入元素，后续元素后移。

list.add(1, "Banana"); // 在索引1处插入元素

（2）删除元素

• E remove(int index)：移除指定索引处的元素，返回被删除元素。

String removed = list.remove(0); // 移除索引0的元素

boolean remove(Object o)：移除列表中第一个匹配的元素（通过 equals 方法判断）。

list.remove("Apple"); // 移除值为"Apple"的元素

（3）修改元素

• E set(int index, E element)：用指定元素替换指定索引处的元素，返回旧元素。

String oldValue = list.set(0, "Grape"); // 将索引0的元素改为"Grape"

（4）查询元素

• E get(int index)：返回指定索引处的元素。

String first = list.get(0); // 获取索引0的元素

int indexOf(Object o)：返回元素首次出现的索引，不存在则返回 -1。

int pos = list.indexOf("Banana"); // 查询"Banana"的位置

• int lastIndexOf(Object o)：返回元素最后一次出现的索引，不存在则返回 -1。

2. 集合操作方法

• boolean contains(Object o)：判断列表是否包含指定元素（基于 equals）。
• boolean.addAll(Collection c)：将其他集合的所有元素添加到列表末尾。
• void clear()：移除列表中的所有元素。
• boolean isEmpty()：判断列表是否为空。
• int size()：返回列表中的元素个数。

3. 迭代与视图方法

• 迭代器（Iterator）：

Iterator it = list.iterator();
while (it.hasNext()) {
    String element = it.next();
    // 处理元素
}

列表迭代器（ListIterator）：支持双向遍历和元素修改：

ListIterator lit = list.listIterator();
while (lit.hasNext()) {
    String element = lit.next();
    lit.set(element + "_modified"); // 修改元素
}

• 子列表（SubList）：返回列表中指定范围的视图（List.subList(int fromIndex, int toIndex)）：

List sub = list.subList(0, 2); // 包含索引0，不包含索引2

三、List 接口的实现类

1. ArrayList

（1）特点

• 底层结构：动态数组（Object[]）。
• 优缺点：
  • ✅ 随机访问（get(int)）速度快（时间复杂度 O (1)）。
  • ❌ 插入 / 删除元素时需移动后续元素，效率较低（时间复杂度 O (n)）。
• 适用场景：频繁查询、较少增删的场景（如数据展示、日志记录）。

（2）扩容机制

• 初始容量默认值为 10（JDK 1.8）。
• 当元素数量超过容量时，新容量为 原容量的 1.5 倍（通过 Arrays.copyOf 复制数组）。

2. LinkedList

（1）特点

• 底层结构：双向链表（每个节点包含 prev、next 指针）。
• 优缺点：
  • ✅ 插入 / 删除元素时只需修改指针，效率高（时间复杂度 O (1)，若已知节点位置）。
  • ❌ 随机访问需遍历链表，效率低（时间复杂度 O (n)）。
• 适用场景：频繁增删的场景（如队列、栈、缓存）。

（2）特殊方法

• 可作为队列（Queue）使用：

LinkedList queue = new LinkedList<>();
queue.offer("A"); // 入队（添加到末尾）
String first = queue.poll(); // 出队（移除并返回头部元素）

可作为栈（Stack）使用：

queue.push("B"); // 入栈（添加到头部）
String last = queue.pop(); // 出栈（移除并返回头部元素）

3. Vector（线程安全）

（1）特点

• 底层结构：动态数组，与 ArrayList 类似。
• 线程安全：方法通过 synchronized 修饰（如 add()、get()），但性能较低。
• 适用场景：多线程环境下需要线程安全的场景（较冷门，推荐使用 Collections.synchronizedList() 替代）。

4. 实现类对比表

实现类	底层结构	线程安全	随机访问效率	增删效率（中间位置）	默认初始容量
ArrayList	动态数组	否	高（O (1)）	低（O (n)）	10
LinkedList	双向链表	否	低（O (n)）	高（O (1)）	-
Vector	动态数组	是	高（O (1)）	低（O (n)）	10

四、List 接口的常用操作场景

1. 遍历列表的 4 种方式

（1）普通 for 循环（索引遍历）

for (int i = 0; i < list.size(); i++) {
    String element = list.get(i);
}

适用场景：需要通过索引操作元素（如修改、删除）。

（2）增强 for 循环（foreach）

for (String element : list) {
    // 只读操作元素
}

注意：遍历时若修改列表（如 list.remove()），会抛出 ConcurrentModificationException（fail-fast 机制）。

（3）Iterator 迭代器

Iterator it = list.iterator();
while (it.hasNext()) {
    String element = it.next();
    if (element.equals("Apple")) {
        it.remove(); // 安全删除元素的方式
    }
}

优势：支持遍历过程中安全删除元素（通过 Iterator.remove()）。

（4）Java 8 Stream 流式遍历

list.stream().forEach(element -> {
    System.out.println(element);
});

适用场景：结合 Lambda 表达式实现复杂逻辑（如过滤、映射）。

2. 列表排序与搜索

（1）排序（Collections.sort()）

List nums = Arrays.asList(3, 1, 4, 2);
Collections.sort(nums); // 升序排列（默认自然排序）
// 自定义排序（降序）
Collections.sort(nums, (a, b) -> b - a);

（2）二分查找（Collections.binarySearch()）

Collections.sort(nums); // 需先排序
int index = Collections.binarySearch(nums, 3); // 返回元素3的索引

3. 线程安全处理

• 场景：多线程环境下操作 List 时，需保证线程安全。
• 解决方案：
  1. 使用 Vector（性能较低）。
  2. 通过 Collections.synchronizedList() 包装普通 List：

List safeList = Collections.synchronizedList(new ArrayList<>());

使用并发包 java.util.concurrent 中的 CopyOnWriteArrayList（适用于读多写少场景）：

List concurrentList = new CopyOnWriteArrayList<>();

五、常见问题与最佳实践

1. ArrayList vs LinkedList 如何选择？

• 优先选 ArrayList：需要频繁随机访问（如查询），或数据量已知、增删操作少。
• 优先选 LinkedList：需要频繁在头部 / 中间插入 / 删除元素，或数据量不确定、需高效动态调整。

2. 列表扩容的性能影响

• ArrayList 扩容时会创建新数组并复制旧元素，若初始容量预估不足，多次扩容会导致性能下降。
• 最佳实践：通过构造方法指定初始容量：

  List list = new ArrayList<>(100); // 初始容量设为100，减少扩容次数

  3. 避免内存泄漏

• 若存储大量对象，需及时调用 clear() 或置为 null，帮助垃圾回收器回收内存。
• 强制类型转换风险：非泛型 List 会存储 Object 类型，取出时需强制类型转换，可能引发 ClassCastException。
• 最佳实践：使用泛型限定元素类型：

List list = new ArrayList<>(); // 限定只能存储String类型

六、总结

特性	List 接口特点
核心优势	有序性、可重复性、索引访问，适用于需要按顺序操作的数据场景。
实现类选择	- 高频查询：ArrayList - 高频增删：LinkedList - 线程安全：CopyOnWriteArrayList
常用操作	添加 / 删除元素、遍历、排序、子列表操作、线程安全处理。

通过掌握 List 接口的核心方法与实现类特性，可在开发中高效处理线性数据集合，提升代码的健壮性与性能。