Tutorial zu Java-Listenmethoden - Beispiel für eine Util-Listen-API

Listen sind häufig verwendete Datenstrukturen in jeder Programmiersprache.

In diesem Tutorial werden wir die List-API von Java untersuchen. Wir beginnen mit grundlegenden Operationen und gehen dann auf fortgeschrittenere Dinge ein (wie einen Vergleich verschiedener Listentypen wie ArrayList und LinkedList).

Ich werde Ihnen auch einige Richtlinien geben, die Ihnen bei der Auswahl der für Ihre Situation am besten geeigneten Listenimplementierung helfen.

Obwohl grundlegende Java-Kenntnisse ausreichen, um dem Lernprogramm zu folgen, erfordert der letzte Abschnitt grundlegende Datenstrukturen (Array, LinkedList) und Big-O-Kenntnisse. Wenn Sie mit diesen nicht vertraut sind, können Sie diesen Abschnitt überspringen.

Definition von Listen

Listen sind geordnete Sammlungen von Objekten. In diesem Sinne ähneln sie Sequenzen in der Mathematik. Sie sind jedoch anders als Sets, die keine bestimmte Reihenfolge haben.

Ein paar Dinge, die Sie beachten sollten: Listen dürfen Duplikate und Nullelemente enthalten. Sie sind Referenz- oder Objekttypen und werden wie alle Objekte in Java im Heap gespeichert.

Eine Liste in Java ist eine Schnittstelle, und es gibt viele Listentypen, die diese Schnittstelle implementieren.

Ich werde ArrayList in den ersten Beispielen verwenden, da dies der am häufigsten verwendete Listentyp ist.

ArrayList ist im Grunde ein Array mit veränderbarer Größe. Fast immer möchten Sie ArrayList über reguläre Arrays verwenden, da diese viele nützliche Methoden bieten.

Der einzige Vorteil eines Arrays war früher seine feste Größe (indem nicht mehr Speicherplatz zugewiesen wurde, als Sie benötigen). Listen unterstützen jetzt aber auch feste Größen.

So erstellen Sie eine Liste in Java

Genug chatten, beginnen wir mit der Erstellung unserer Liste.

import java.util.ArrayList; import java.util.List; public class CreateArrayList { public static void main(String[] args) { ArrayList list0 = new ArrayList(); // Makes use of polymorphism List list = new ArrayList(); // Local variable with "var" keyword, Java 10 var list2 = new ArrayList(); } }

In den spitzen Klammern () geben wir den Typ der Objekte an, die gespeichert werden sollen.

Beachten Sie, dass der Typ in Klammern ein Objekttyp und kein primitiver Typ sein muss . Daher müssen wir Objekt-Wrapper, Integer-Klasse anstelle von int, Double anstelle von double usw. verwenden.

Es gibt viele Möglichkeiten, eine ArrayList zu erstellen, aber ich habe im obigen Snippet drei gängige Möglichkeiten vorgestellt.

Der erste Weg besteht darin, das Objekt aus der konkreten ArrayList-Klasse zu erstellen, indem Sie ArrayList auf der linken Seite der Zuweisung angeben.

Das zweite Codeausschnitt verwendet den Polymorphismus mithilfe der Liste auf der linken Seite. Dadurch wird die Zuweisung lose mit der ArrayList-Klasse gekoppelt, und wir können problemlos andere Listentypen zuweisen und problemlos zu einer anderen Listenimplementierung wechseln.

Der dritte Weg ist der Java 10-Weg zum Erstellen lokaler Variablen unter Verwendung des Schlüsselworts var. Der Compiler interpretiert den Variablentyp, indem er die rechte Seite überprüft.

Wir können sehen, dass alle Zuweisungen zum gleichen Typ führen:

System.out.println(list0.getClass()); System.out.println(list.getClass()); System.out.println(list2.getClass());

Ausgabe:

class java.util.ArrayList class java.util.ArrayList class java.util.ArrayList 

Wir können auch die Anfangskapazität der Liste angeben.

List list = new ArrayList(20);

Dies ist nützlich, da die aktuelle Liste immer dann, wenn die Liste voll ist und Sie versuchen, ein weiteres Element hinzuzufügen, in eine neue Liste mit der doppelten Kapazität der vorherigen Liste kopiert wird. Dies alles geschieht hinter den Kulissen.

Diese Operation macht unsere Komplexität jedoch zu O (n) , daher möchten wir sie vermeiden. Die Standardkapazität ist 10. Wenn Sie also wissen, dass Sie mehr Elemente speichern, sollten Sie die Anfangskapazität angeben.

Hinzufügen und Aktualisieren von Listenelementen in Java

Um der Liste Elemente hinzuzufügen, können wir die Methode add verwenden. Wir können auch den Index des neuen Elements angeben, aber seien Sie dabei vorsichtig, da dies zu einer IndexOutOfBoundsException führen kann .

import java.util.ArrayList; public class AddElement { public static void main(String[] args) { ArrayList list = new ArrayList(); list.add("hello"); list.add(1, "world"); System.out.println(list); } }

Ausgabe:

[hello, world]

Wir können die set- Methode verwenden, um ein Element zu aktualisieren.

list.set(1, "from the otherside"); System.out.println(list);

Ausgabe:

[hello, world] [hello, from the otherside]

Abrufen und Löschen von Listenelementen in Java

Um ein Element aus der Liste abzurufen, können Sie die get- Methode verwenden und den Index des Elements angeben , das Sie abrufen möchten.

import java.util.ArrayList; import java.util.List; public class GetElement { public static void main(String[] args) { List list = new ArrayList(); list.add("hello"); list.add("freeCodeCamp"); System.out.println(list.get(1)); } }

Ausgabe:

freeCodeCamp 

Die Komplexität dieser Operation in ArrayList ist O (1), da im Hintergrund ein reguläres Array mit wahlfreiem Zugriff verwendet wird.

Um ein Element aus der ArrayList zu entfernen , wird die Methode remove verwendet.

list.remove(0);

Dadurch wird das Element am Index 0 entfernt, was in diesem Beispiel "Hallo" ist.

We can also call the remove method with an element to find and remove it. Keep in mind that it only removes the first occurrence of the element if it is present.

public static void main(String[] args) { List list = new ArrayList(); list.add("hello"); list.add("freeCodeCamp"); list.add("freeCodeCamp"); list.remove("freeCodeCamp"); System.out.println(list); }

Output:

[hello, freeCodeCamp]

To remove all occurrences, we can use the removeAll method in the same way.

These methods are inside the List interface, so every List implementations has them (whether it is ArrayList, LinkedList or Vector).

How to Get the Length of a List in Java

To get the length of a list, or the number of elements,we can use the size() method.

import java.util.ArrayList; import java.util.List; public class GetSize { public static void main(String[] args) { List list = new ArrayList(); list.add("Welcome"); list.add("to my post"); System.out.println(list.size()); } } 

Output:

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Two-Dimensional Lists in Java

It is possible to create two-dimensional lists, similar to 2D arrays.

ArrayList listOfLists = new ArrayList();

We use this syntax to create a list of lists, and each inner list stores integers. But we have not initialized the inner lists yet. We need to create and put them on this list ourselves:

int numberOfLists = 3; for (int i = 0; i < numberOfLists; i++) { listOfLists.add(new ArrayList()); }

I am initializing my inner lists, and I am adding 3 lists in this case. I can also add lists later if I need to.

Now we can add elements to our inner lists. To add an element, we need to get the reference to the inner list first.

For example, let's say we want to add an element to the first list. We need to get the first list, then add to it.

listOfLists.get(0).add(1);

Here is an example for you. Try to guess the output of the below code segment:

public static void main(String[] args) { ArrayList listOfLists = new ArrayList(); System.out.println(listOfLists); int numberOfLists = 3; for (int i = 0; i < numberOfLists; i++) { listOfLists.add(new ArrayList()); } System.out.println(listOfLists); listOfLists.get(0).add(1); listOfLists.get(1).add(2); listOfLists.get(2).add(0,3); System.out.println(listOfLists); }

Output:

[] [[], [], []] [[1], [2], [3]]

Notice that it is possible to print the lists directly (unlike with regular arrays) because they override the toString() method.

Useful Methods in Java

There are some other useful methods and shortcuts that are used frequently. In this section I want to familiarize you with some of them so you will have an easier time working with lists.

How to Create a List with Elements in Java

It is possible to create and populate the list with some elements in a single line. There are two ways to do this.

The following is the old school way:

public static void main(String[] args) { List list = Arrays.asList( "freeCodeCamp", "let's", "create"); }

You need to be cautious about one thing when using this method: Arrays.asList returns an immutable list. So if you try to add or remove elements after creating the object, you will get an UnsupportedOperationException.

You might be tempted to use final keyword to make the list immutable but it won't work as expected.

It just makes sure that the reference to the object does not change – it does not care about what is happening inside the object. So it permits inserting and removing.

final List list2 = new ArrayList(); list2.add("erinc.io is the best blog ever!"); System.out.println(list2);

Output:

[erinc.io is the best blog ever!] 

Now let's look at the modern way of doing it:

ArrayList friends = new ArrayList(List.of("Gulbike", "Sinem", "Mete")); 

The List.of method was shipped with Java 9. This method also returns an immutable list but we can pass it to the  ArrayList constructor to create a mutable list with those elements. We can add and remove elements to this list without any problems.

How to Create a List with N Copies of Some Element in Java

Java provides a method called NCopies that is especially useful for benchmarking. You can fill an array with any number of elements in a single line.

public class NCopies { public static void main(String[] args) { List list = Collections.nCopies(10, "HELLO"); System.out.println(list); } }

Output:

[HELLO, HELLO, HELLO, HELLO, HELLO, HELLO, HELLO, HELLO, HELLO, HELLO] 

How to Clone a List in Java

As previously mentioned, Lists are reference types, so the rules of passing by reference apply to them.

public static void main(String[] args) { List list1 = new ArrayList(); list1.add("Hello"); List list2 = list1; list2.add(" World"); System.out.println(list1); System.out.println(list2); }

Output:

[Hello, World] [Hello, World]

The list1 variable holds a reference to the list. When we assign it to list2 it also points to the same object. If we do not want the original list to change, we can clone the list.

ArrayList list3 = (ArrayList) list1.clone(); list3.add(" Of Java"); System.out.println(list1); System.out.println(list3);

Output:

[Hello, World] [Hello, World, Of Java]

Since we cloned list1, list3 holds a reference to its clone in this case. Therefore list1 remains unchanged.

How to Copy a List to an Array in Java

Sometimes you need to convert your list to an array to pass it into a method that accepts an array. You can use the following code to achieve that:

List list = new ArrayList(List.of(1, 2)); Integer[] toArray = list.toArray(new Integer[0]);

You need to pass an array and the toArray method returns that array after filling it with the elements of the list.

How to Sort a List in Java

To sort a list we can use Collections.sort. It sorts in ascending order by default but you can also pass a comparator to sort with custom logic.

List toBeSorted = new ArrayList(List.of(3,2,4,1,-2)); Collections.sort(toBeSorted); System.out.println(toBeSorted);

Output:

[-2, 1, 2, 3, 4]

How do I choose which list type to use?

Before finishing this article, I want to give you a brief performance comparison of different list implementations so you can choose which one is better for your use case.

We will compare ArrayList, LinkedList and Vector. All of them have their ups and downs so make sure you consider the specific context before you decide.

Java ArrayList vs LinkedList

Here is a comparison of runtimes in terms of algorithmic complexity.

| | ArrayList | LinkedList | |-----------------------|----------------------------|------------| | GET(index) | O(1) | O(n) | | GET from Start or End | O(1) | O(1) | | ADD | O(1), if list is full O(n) | O(1) | | ADD(index) | O(n) | O(1) | | Remove(index) | O(n) | O(1) | | Search and Remove | O(n) | O(n) |

Generally, the get operation is much faster on ArrayList but add and remove are faster on LinkedList.

ArrayList uses an array behind the scenes, and whenever an element is removed, array elements need to be shifted (which is an O(n) operation).

Choosing data structures is a complex task and there is no recipe that applies to every situation. Still, I will try to provide some guidelines to help you make that decision easier:

  • If you plan to do more get and add operations other than remove, use ArrayList since the get operation is too costly on LinkedList. Keep in mind that insertion is O(1) only if you call it without specifying the index and add to the end of the list.
  • If you are going to remove elements and/or insert in the middle (not at the end) frequently, you can consider switching to a LinkedList because these operations are costly on ArrayList.
  • Keep in mind that if you access the elements sequentially (with an iterator), you will not experience a performance loss with LinkedList while getting elements.

Java ArrayList vs Vector

Vector is very similar to ArrayList. If you are coming from a C++ background, you might be tempted to use a Vector, but its use case is a bit different than C++.

Vector's methods have the synchronized keyword, so Vector guarantees thread safety whereas ArrayList does not.

You might prefer Vector over ArrayList in multithreaded programming or you can use ArrayList and handle the synchronization yourself.

In a single-threaded program, it is better to stick with ArrayList because thread-safety comes with a performance cost.

Conclusion

In this post, I have tried to provide an overview of Java's List API. We have learned to use basic methods, and we've also looked at some more advanced tricks to make our lives easier.

We also made a comparison of ArrayList, LinkedList and Vector which is a commonly asked topic in interviews.

Thank you for taking the time to read the whole article and I hope it was helpful.

You can access the whole code from this repository.

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