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Java单例列表对比:Collections::singletonList 与 List::of 比较

发布百知教育 来源:学习课程 2019-10-10

说起单例,就像下面这样! 


如何在Java中获取一个类型为 T 的单个对象,并转换为单元素List<T>?


一种方法实例化List然后添加对象,例如ArrayList或LinkedList,但是这样做有意思吗?机智的开发人员肯定要用一行代码搞定。好消息是JavaSE提供了很多方法,只需要一行代码就能解决这个问题。


(这里不介绍所谓“双括号”实例化方法,因为即使只用一条赋值语句,实际上也是两行代码:一行实例化匿名List子类型,另一行在初始化代码块中添加对象)


Java 8及早期版本


Java 1.3开始就提供下面的静态工厂方法:


Collections::singletonList.

List<Object> list = Collections.singletonList(item);


希望进一步节省代码的开发者能会想到Arrays::asList工厂方法。这个方法从Java 1.2起就一直存在。


List<Object> list = Arrays.asList(item);


然而这种方案并不可取。asList方法只接收varargs参数,这意味着item参数创建列表之前就已经包装为数组。用这种方法创建的List类型是ArrayList,这并不奇怪。但实际得到的类型可能不是java.util.ArrayList,而是java.util.Arrays$ArrayList私有类,两者有以下区别:


  1. 没有实现Cloneable接口(不是很明显)。

  2. 列表底层实际上是传递给asList方法的数组。java.util.ArrayList会创建内部数组并对其管理。 

  3. 不支持java.util.List接口定义的许多方法,尤其是mutation方法。(详细信息参见下表)


Java 8中Stream API提供了更多创建单项列表的方法,尽管使用的方法更不直观:


List<Object> list = Stream.of(item).collect(Collectors.toList());
List<Object> immutableList = Stream.of(item).collect(Collectors.toUnmodifiableList());


无论采用哪种collector,这种方法都不可取。因为除了创建List之外还创建了一个StreamCollector和Collector。只有前者才是我们真正唯一关心的事情。


对于Java 8及早期版本Collections::singletonList是单行代码中创建单元列表最好的办法。


对于Java 8以后的Java版本还是最佳选择吗?


Java 9及更高版本


Java 9中增加了一个很棒的API,List::of。接受一个或多个参数,返回一个包含这些参数的List。乍一看似乎和Arrays::asList没什么区别。但是仔细检查后您会注意到,List::of方法支持不同数量的参数,包括下面讨论中的元素:


/**
    * 返回包含一个元素的不可变列表
    *
    * 更多信息参见 <a href="#unmodifiable">Unmodifiable Lists</a>
    *
    * @param <E> {@code List} 的元素类型
    * @param e1 单个元素
    * @return a {@code List} 包含指定元素
    * @throws NullPointerException 如果元素为 {@code null}
    *
    * @since 9
    */

   static <E> List<E> of(E e1) {
       return new ImmutableCollections.List12<>(e1);
   }


List::of支持从一到十个固定数量的命名参数,所有这些都是为了避免使用varargs数组。如您所料,余下的List::of方法接受varargs参数,处理极少数情况下列表中包含11个甚至个更多item。


List::of与Collections::singletonList相比,哪个更胜一筹?


Collections::singletonList vs. List::of


可以从多个角度比较这两个工厂。


  1. 编程效率:方法各自适用什么场景?

  2. 代码可读性:使用方法对代码可读性有什么影响?

  3. List API支持:方法返回的List实例支持哪些操作?

  4. Null支持:哪个方法支持null?

  5. 内存使用:方法返回的List实例消耗多少内存?

  6. 性能:每种方法创建List的效率如何?


编程效率


与Collections.singletonList相比,List.of代码更少。导入java.util.Collections不需要输入(或者用IDE快捷方式)。由于需要处理List返回值,通常已经导入了java.util.List。


此外,如果需要增加item,只要向List::of中加入参数,无需改用其他方法。


代码可读性


尽管Collections::singletonList明确表明返回的列表仅包含一个item,但List.of(item)的返回值也很清楚:“返回包含此item的一个列表。”在我看来,这样读起来很自然。


实际上,结果是一个list这个事实比列表中只有一个item更重要。List::of突出了这个信息,而Collections::singletonList一直看到最后四个字母才解除了我们的疑惑。


List API支持


每个工厂方法返回的java.util.List实现各有不同,并且支持的API方法之间存在细微差异。Collections::singletonList返回java.util.Collections$SingletonList,相比List::of返回的java.util.ImmutableCollections$List12支持更多操作。 


为了比较,下面的列表中还包含了之前提到的java.util.Arrays$ArrayList和java.util.ArrayList,后面是Collectors.toList()的返回类型。Collectors.toUnmodifiableList()与List::of返回的列表类型相同


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图例:


  • ✔️ 表示支持该方法

  • ❌表示调用此方法会抛出UnsupportedOperationException;

  • ❗️表示仅在方法参数不会引起mutation的情况下才支持该方法,例如Collections.singletonList("foo").retainAll("foo")没问题,但Collections.singletonList("foo").retainAll("bar")会抛出UnsupportedOperationException


从不变性角度考虑List::of的ImmutableCollections.List12最强;不论传入的参数如何,每个方法都会抛出UnsupportedOperationException。


Collections::singletonList尽管允许调用一些“mutator”方法,但最终结果还是不可变的。 


Arrays::asList 返回值类型是可变的;可以修改返回值(同时会更改传给工厂方法的数组值),但不能添加或删除item调整大小。


有趣的是,java.util.Collections$SingletonList的list-iterator不持支持set方法,但是支持sort方法。在JavaDocs中明确说明:“如果list-iterator不支持set方法,会抛出UnsupportedOperationException”。看起来java.util.Collections$SingletonList并不完全符合java.util.List规范。


ArrayList和LinkedList也有类似问题。List::sort的JavaDocs声称:“如果指定的comparator参数为null,则列表中所有元素都必须实现Comparable接口”。真的是这样吗?那为什么下面这段代码能正常工作呢?


List<Object> list = new ArrayList<>();
  list.add(new Object()); // java.lang.Object 并没有实现 Comparable 接口
  list.sort(null); // 没有抛出 java.lang.ClassCastException


Null支持


如果出于某些奇怪的原因打算创建包含一个null元素的单元列表,那么不能使用List:of,NullPointerException会映入你眼帘(没错,NullPointerException可以用作动词)。Array::asList和基于Stream的方法也是如此。


Collections::singletonList支持创建null列表。


内存使用


使用jcmd为一个简单程序生成了GC.class_histogram。这个该程序使用Collections::singletonList与List::of各创建了十万个列表。


#instances         #bytes  class name (module)
--------------------------------------------------
       100077        2401848  java.util.ImmutableCollections$List12 (java.base@12.0.2)
       100000        2400000  java.util.Collections$SingletonList (java.base@12.0.2)


我不太确定java.util.ImmutableCollections$List12多出来的77个实例来自哪里,但是用字节数除以实例个数会发现,每个类实例恰好占用了24个字节。鉴于每个list都包含对一个item引用,这很有意义。64位JVM上的每个类占用12个字节(禁止压缩OOP),每个引用消耗8个字节,总共20个字节。当填充到接近8的倍数时,会达到24个字节。


性能


使用JMH创建一个基准测试,检测目前为止使用上述所有方法创建列表的平均时间和吞吐量:


基准模式Cnt得分误差单位
Approach.collectionsSingletonList                      thrpt        5   154.848 ± 16.030  ops/us
Approach.listOf                                        thrpt        5   147.524 ± 10.477  ops/us
Approach.arraysAsList                                  thrpt        5    90.731 ±  2.655  ops/us
Approach.streamAndCollectToList                        thrpt        5     4.481 ±  0.459  ops/us
Approach.streamAndCollectToUnmodifiableList            thrpt        5     4.235 ±  0.081  ops/us
Approach.collectionsSingletonList                       avgt        5     0.006 ±  0.001   us/op
Approach.listOf                                         avgt        5     0.007 ±  0.001   us/op
Approach.arraysAsList                                   avgt        5     0.011 ±  0.001   us/op
Approach.streamAndCollectToList                         avgt        5     0.217 ±  0.004   us/op
Approach.streamAndCollectToUnmodifiableList             avgt        5     0.241 ±  0.036   us/op


根据这些数据,Collections::singletonList的吞吐量比List::of略高且平均执行速度略快,但是性能基本相同。 


下一个Arrays::asList,速度大约是它的两倍,吞吐量是它的60%。相比之下,Stream API提供的两种方法测试结果非常糟糕。


为什么Collections::singletonList的性能要比List::of的性能略好一些?我猜测唯一的可能是java.util.ImmutableCollections.List12调用了Objects::requireNonNull强制保证“不允许传入null”。就像前面提到的那样,java.util.Collections$SingletonList支持null(无论好坏),因此不对constructor的参数进行任何检查。


总结


Collections::singletonList和List::of都是创建单元列表的绝佳选择。如果使用的Java版本支持这两种方法(Java 9及更高版本),我建议使用List:of,因为它使用方便、代码可读性强且不可变性更好。


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编译:ImportNew/唐尤华

dzone.com/articles/singleton-list-showdown-collectionssingletonlist-v

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