前言
大家好，我是小郭，今天我们主要来说一说List操作在实际使用中有哪些坑，以及面对这些坑的时候我们要怎么解决。
1. Arrays.asList转换基本类型数组的坑
在实际的业务开发中，我们通常会进行数组转List的操作，通常我们会使用Arrays.asList来进行转换
但是在转换基本类型的数组的时候，却出现转换的结果和我们想象的不一致。
上代码
int[] arr = {1, 2, 3}; List list = Arrays.asList(arr); System.out.println(list.size()); // 1
实际上，我们想要转成的List应该是有三个对象而现在只有一个
public static List asList(T... a) { return new ArrayList<>(a); }
可以观察到 asList方法 接收的是一个泛型T类型的参数，T继承Object对象
所以通过断点我们可以看到把 int数组 整体作为一个对象,返回了一个 List<int[]>
那我们该如何解决呢？
方案一：Java8以上，利用Arrays.stream(arr).boxed()将装箱为Integer数组
List collect = Arrays.stream(arr).boxed().collect(Collectors.toList()); System.out.println(collect.size()); System.out.println(collect.get(0).getClass()); // 3 // class java.lang.Integer
方案二：声明数组的时候，声明类型改为包装类型
Integer[] integerArr = {1, 2, 3}; List integerList = Arrays.asList(integerArr); System.out.println(integerList.size()); System.out.println(integerList.get(0).getClass()); // 3 // class java.lang.Integer
2. Arrays.asList返回的List不支持增删操作
我们将数组对象转成List数据结构之后，竟然不能进行增删操作了
private static void asListAdd(){ String[] arr = {"1", "2", "3"}; List<String> strings = new ArrayList<>(Arrays.asList(arr)); arr[2] = "4"; System.out.println(strings.toString()); Iterator<String> iterator = strings.iterator(); while (iterator.hasNext()){ if ("4".equals(iterator.next())){ iterator.remove(); } } strings.forEach(val ->{ strings.remove("4"); strings.add("3"); }); System.out.println(Arrays.asList(arr).toString()); } [1, 2, 4] Exception in thread "main" java.lang.UnsupportedOperationException at java.util.AbstractList.remove(AbstractList.java:161) at java.util.AbstractList$Itr.remove(AbstractList.java:374) at java.util.AbstractCollection.remove(AbstractCollection.java:293) at JavaBase.List.AsListTest.lambda$asListAdd$0(AsListTest.java:47) at java.util.Arrays$ArrayList.forEach(Arrays.java:3880) at JavaBase.List.AsListTest.asListAdd(AsListTest.java:46) at JavaBase.List.AsListTest.main(AsListTest.java:20)
初始化一个字符串数组，将字符串数组转换为 List，在遍历List的时候进行移除和新增的操作
抛出异常信息UnsupportedOperationException。
根据异常信息java.lang.UnsupportedOperationException，我们看到他是从AbstractList里面出来的，让我们进入源码一看究竟
我们在什么时候调用到了这个 AbstractList 呢？
其实 Arrays.asList(arr) 返回的 ArrayList 不是 java.util.ArrayList，而是 Arrays的内部类
private static class ArrayList<E> extends AbstractList<E> implements RandomAccess, java.io.Serializable{ private static final long serialVersionUID = -2764017481108945198L; private final E[] a; ArrayList(E[] array) { a = Objects.requireNonNull(array); } @Override public E get(int index) {} @Override public E set(int index, E element) {...} ... } public abstract class AbstractList<E> extends AbstractCollection<E> implements List<E> { public boolean add(E e) { add(size(), e); return true; } public void add(int index, E element) { throw new UnsupportedOperationException(); } public E remove(int index) { throw new UnsupportedOperationException(); } }
他是没有实现 AbstractList 中的 add() 和 remove() 方法,这里就很清晰了为什么不支持新增和删除，因为根本没有实现。
3. 对原始数组的修改会影响到我们获得的那个List
一不小心修改了父List，却影响到了子List，在业务代码中，这会导致产生的数据发生变化，严重的话会造成影响较大的生产问题。
第二个坑的源码中，完成字符串数组转换为List之后，
我们将字符串数组的第三个对象的值修改为4，但是很奇怪在打印List的时候，发现List也发生了变化。
public static <T> List<T> asList(T... a) { return new ArrayList<>(a); } ArrayList(E[] array) { a = Objects.requireNonNull(array); }
asList中创建了 ArrayList，但是他直接引用了原本的数组对象
所以只要原本的数组对象一发生变化，List也跟着变化
所以在使用到引用的时候，我们需要特别的注意。
解决方案：
重新new一个新的 ArrayList 来装返回的 List
List strings = new ArrayList<>(Arrays.asList(arr));
4. java.util.ArrayList如果不正确操作也不支持增删操作
在第二个坑的时候，我们说到了 Arrays.asList 返回的 List 不支持增删操作，
是因为他的自己实现了一个内部类 ArrayList，这个内部类继承了 AbstractList 没有实现 add() 和 remove() 方法导致操作失败。
但是第三个坑的时候，我们利用 java.util.ArrayList 包装了返回的 List，进行增删操作还是会失败，那是为什么呢？
删除方法逻辑：
在foreach中操作增删，因为因为 modCount 会被修改，与第一步保存的数组修改次数不一致，抛出异常 ConcurrentModificationException
在正确操作是什么？我总结了四种方式
5. ArrayList中的 subList 强转 ArrayList 导致异常
阿里《Java开发手册》上提过
[强制] ArrayList的sublist结果不可強转成ArrayList,否则会抛出ClassCastException
异常，即java.util.RandomAccesSubList cannot be cast to java. util.ArrayList.
说明: subList 返回的是ArrayList 的内部类SubList, 并不是ArrayList ，而是
ArrayList的一个视图，対于SubList子列表的所有操作最终会反映到原列表上。
private static void subListTest(){ List<String> names = new ArrayList<String>() {{ add("one"); add("two"); add("three"); }}; ArrayList strings = (ArrayList) names.subList(0, 1); System.out.println(strings.toString()); } Exception in thread "main" java.lang.ClassCastException: java.util.ArrayList$SubList cannot be cast to java.util.ArrayList
我猜问题是有八九就是出现在subList这个方法上了
private class SubList extends AbstractList<E> implements RandomAccess { private final AbstractList<E> parent; private final int parentOffset; private final int offset; int size; SubList(AbstractList<E> parent, int offset, int fromIndex, int toIndex) { this.parent = parent; this.parentOffset = fromIndex; this.offset = offset + fromIndex; this.size = toIndex - fromIndex; this.modCount = ArrayList.this.modCount; } }
其实 SubList 是一个继承 AbstractList 的内部类，在 SubList 的构建函数中的将 List 中的部分属性直接赋予给自己
SubList 没有创建一个新的 List，而是直接引用了原来的 List(this.parent = parent)，指定了元素的范围
所以 subList 方法不能直接转成 ArrayList，他只是ArrayList的内部类，没有其他的关系
因为是引用的关系，所以在这里也需要特别的注意，如果对原来的List进行修改，会对产生的 subList结果产生影响。
List<String> names = new ArrayList<String>() {{ add("one"); add("two"); add("three"); }}; List strings = names.subList(0, 1); strings.add(0, "ongChange"); System.out.println(strings.toString()); System.out.println(names.toString()); [ongChange, one] [ongChange, one, two, three]
对subList产生的List做出结构型修改，操作会反应到原来的List上，ongChange也添加到了names中
如果修改原来的List则会抛出异常ConcurrentModificationException
List<String> names = new ArrayList<String>() {{ add("one"); add("two"); add("three"); }}; List strings = names.subList(0, 1); names.add("four"); System.out.println(strings.toString()); System.out.println(names.toString()); Exception in thread "main" java.util.ConcurrentModificationException
原因：
subList的时候记录this.modCount为3
原来的List插入了一个新元素，导致this.modCount不第一次保存的不一致则抛出异常
解决方案：在操作SubList的时候，new一个新的ArrayList来接收创建subList结果的拷贝
List strings = new ArrayList(names.subList(0, 1));
6. ArrayList中的subList切片造成OOM
在业务开发中的时候，他们经常通过subList来获取所需要的那部分数据
在上面的例子中，我们知道了subList所产生的List，其实是对原来List对象的引用
这个产生的List只是原来List对象的视图，也就是说虽然值切片获取了一小段数据，但是原来的List对象却得不到回收，这个原来的List对象可能是一个很大的对象
为了方便我们测试，将vm调整一下 -Xms20m -Xmx40m
private static void subListOomTest(){ IntStream.range(0, 1000).forEach(i ->{ List<Integer> collect = IntStream.range(0, 100000).boxed().collect(Collectors.toList()); data.add(collect.subList(0, 1)); }); }} Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
出现OOM的原因，循环1000次创建了1000个具有10万个元素的List
因为始终被collect.subList(0, 1)强引用，得不到回收
解决方式：
- 在subList方法返回SubList，重新使用new ArrayList，来构建一个独立的ArrayList
List list = new ArrayList<>(collect.subList(0, 1));
- 利用Java8的Stream中的skip和limit来达到切片的目的
List list = collect.stream().skip(0).limit(1).collect(Collectors.toList());
在这里我们可以看到，只要用一个新的容器来装结果，就可以切断与原始List的关系
7. LinkedList的插入速度不一定比ArrayList快
学习数据结构的时候，我们就已经得出了结论
●对于数组，随机元素访问的时间复杂度是0(1)， 元素插入操作是O(n);
●对于链表，随机元素访问的时间复杂度是O(n), 元素插入操作是0(1).
元素插入对于链表来说应该是他的优势
但是他就一定比数组快? 我们执行插入1000w次的操作
private static void test(){ StopWatch stopWatch = new StopWatch(); int elementCount = 100000; stopWatch.start("ArrayList add"); List<Integer> arrayList = IntStream.rangeClosed(1, elementCount).boxed().collect(Collectors.toCollection(ArrayList::new)); // ArrayList插入数据 IntStream.rangeClosed(0, elementCount).forEach(i ->arrayList.add(ThreadLocalRandom.current().nextInt(elementCount), 1)); stopWatch.stop(); stopWatch.start("linkedList add"); List<Integer> linkedList = IntStream.rangeClosed(1, elementCount).boxed().collect(Collectors.toCollection(LinkedList::new)); // ArrayList插入数据 IntStream.rangeClosed(0, elementCount).forEach(i -> linkedList.add(ThreadLocalRandom.current().nextInt(elementCount), 1)); stopWatch.stop(); System.out.println(stopWatch.prettyPrint()); } StopWatch '': running time = 44507882 ns --------------------------------------------- ns % Task name --------------------------------------------- 043836412 098% elementCount 100 ArrayList add 000671470 002% elementCount 100 linkedList add StopWatch '': running time = 196325261 ns --------------------------------------------- ns % Task name --------------------------------------------- 053848980 027% elementCount 10000 ArrayList add 142476281 073% elementCount 10000 linkedList add StopWatch '': running time = 26384216979 ns --------------------------------------------- ns % Task name --------------------------------------------- 978501580 004% elementCount 100000 ArrayList add 25405715399 096% elementCount 100000 linkedList add
看到在执行插入1万、10完次操作的时候，LinkedList的插入操作时间是 ArrayList的两倍以上
那问题主要就是出现在linkedList的 add()方法上
public void add(int index, E element) { checkPositionIndex(index); if (index == size) linkLast(element); else linkBefore(element, node(index)); } /** * Returns the (non-null) Node at the specified element index. */ Node<E> node(int index) { // assert isElementIndex(index); if(index < (size >> 1)) { Node<E> x = first; for (int i = 0; i < index; i++) x = x.next; return x; } else { Node<E> x = last; for (int i = size - 1; i > index; i--) x = x.prev; return x; } }
linkedList的 add()方法主要逻辑
- 通过遍历找到那个节点的Node
- 执行插入操作
ArrayList的 add()方法
public void add(int index, E element) { rangeCheckForAdd(index); ensureCapacityInternal(size + 1); // Increments modCount!! System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1, size - index); elementData[index] = element; size++; }
- 计算最小容量
- 最小容量大于数组对象，则进行扩容
- 进行数组复制,根据插入的index将数组向后移动一位
- 最后在空位上插入新值
根据试验的测试，我们得出了在实际的随机插入中，LinkedList并没有比ArrayList的速度快
所以在实际的使用中，如果涉及到头尾对象的操作，可以使用LinkedList数据结构来进行增删的操作，发挥LinkedList的优势
最好再进行实际的性能测试评估，来得到最合适的数据结构。
8. CopyOnWriteArrayList内存占用过多
CopyOnWrite，顾名思义就是写的时候会将共享变量新复制一份出来，这样做的好处是读操作完全无锁。
CopyOnWriteArrayList的add()方法
public boolean add(E e) { // 获取独占锁 final ReentrantLock lock = this.lock; lock.lock(); try { // 获取array Object[] elements = getArray(); // 复制array到新数组，添加元素到新数组 int len = elements.length; Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1); newElements[len] = e; // 替换数组 setArray(newElements); return true; } finally { // 释放锁 lock.unlock(); } }
CopyOnWriteArrayList 内部维护了一个数组，成员变量 array 就指向这个内部数组，所有的读操作都是基于新的array对象进行的。
因为上了独占锁，所以如果多个线程调用add()方法只有一个线程会获得到该锁，其他线程被阻塞，知道锁被释放， 由于加了锁，所以整个操作的过程是原子性操作
CopyOnWriteArrayList 会将 新的array复制一份，然后在新复制处理的数组上执行增加元素的操作，执行完之后再将复制的结果指向这个新的数组。
由于每次写入的时候都会对数组对象进行复制，复制过程不仅会占用双倍内存，还需要消耗 CPU 等资源，所以当列表中的元素比较少的时候，这对内存和 GC 并没有多大影响，但是当列表保存了大量元素的时候，
对 CopyOnWriteArrayList 每一次修改，都会重新创建一个大对象，并且原来的大对象也需要回收，这都可能会触发 GC，如果超过老年代的大小则容易触发Full GC，引起应用程序长时间停顿。
9. CopyOnWriteArrayList是弱一致性的
public Iterator<E> iterator() { return new COWIterator<E>(getArray(), 0); } static final class COWIterator<E> implements ListIterator<E> { /** Snapshot of the array */ private final Object[] snapshot; /** Index of element to be returned by subsequent call to next. */ private int cursor; private COWIterator(Object[] elements, int initialCursor) { cursor = initialCursor; snapshot = elements; } public boolean hasNext() { return cursor < snapshot.length; } public boolean hasPrevious() { return cursor > 0; } @SuppressWarnings("unchecked") public E next() { if (! hasNext()) throw new NoSuchElementException(); return (E) snapshot[cursor++]; }
调用iterator方法获取迭代器返回一个COWIterator对象
COWIterator的构造器里主要是 保存了当前的list对象的内容和遍历list时数据的下标。
snapshot是list的快照信息，因为CopyOnWriteArrayList的读写策略中都会使用getArray()来获取一个快照信息，生成一个新的数组。
所以在使用该迭代器元素时，其他线程对该lsit操作是不可见的，因为操作的是两个不同的数组所以造成弱一致性。
private static void CopyOnWriteArrayListTest(){ CopyOnWriteArrayList<String> list = new CopyOnWriteArrayList(); list.add("test1"); list.add("test2"); list.add("test3"); list.add("test4"); Thread thread = new Thread(() -> { System.out.println(">>>> start"); list.add(1, "replaceTest"); list.remove(2); }); // 在启动线程前获取迭代器 Iterator<String> iterator = list.iterator(); thread.start(); try { // 等待线程执行完毕 thread.join(); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } while (iterator.hasNext()){ System.out.println(iterator.next()); } } >>>> start test1 test2 test3 test4
上面的demo中在启动线程前获取到了原来list的迭代器，
在之后启动新建一个线程，在线程里面修改了第一个元素的值，移除了第二个元素
在执行完子线程之后，遍历了迭代器的元素，发现子线程里面操作的一个都没有生效，这里提现了迭代器弱一致性。
10. CopyOnWriteArrayList的迭代器不支持增删改
private static void CopyOnWriteArrayListTest(){ CopyOnWriteArrayList<String> list = new CopyOnWriteArrayList<>(); list.add("test1"); list.add("test2"); list.add("test3"); list.add("test4"); Iterator<String> iterator = list.iterator(); while (iterator.hasNext()){ if ("test1".equals(iterator.next())){ iterator.remove(); } } System.out.println(list.toString()); } Exception in thread "main" java.lang.UnsupportedOperationException at java.util.concurrent.CopyOnWriteArrayList$COWIterator.remove(CopyOnWriteArrayList.java:1178)
CopyOnWriteArrayList 迭代器是只读的，不支持增删操作
CopyOnWriteArrayList迭代器中的 remove()和 add()方法，没有支持增删而是直接抛出了异常
因为迭代器遍历的仅仅是一个快照，而对快照进行增删改是没有意义的。
/** * Not supported. Always throws UnsupportedOperationException. * @throws UnsupportedOperationException always; {@code remove} * is not supported by this iterator. */ public void remove() { throw new UnsupportedOperationException(); } /** * Not supported. Always throws UnsupportedOperationException. * @throws UnsupportedOperationException always; {@code set} * is not supported by this iterator. */ public void set(E e) { throw new UnsupportedOperationException(); } /** * Not supported. Always throws UnsupportedOperationException. * @throws UnsupportedOperationException always; {@code add} * is not supported by this iterator. */ public void add(E e) { throw new UnsupportedOperationException(); }
总结
由于篇幅的限制，我们只对一些在业务开发中常见的关键点进行梳理和介绍
在实际的工作中，我们不单单是要清除不同类型容器的特性，还要选择适合的容器才能做到事半功倍。
我们主要介绍了Arrays.asList转换过程中的一些坑，以及因为操作不当造成的OOM和异常，
到最后介绍了线程安全类CopyOnWriteArrayList的一些坑，让我们认识到在丰富的API下藏着许多的陷阱。
在使用的过程中，需要更加充分的考虑避免这些隐患的发生。
最后一张思维导图来回顾一下~
