ArrayList、LinkedList比较，ArrayList详解 - 总结

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一、效率对比

1、读取

操作

ArrayList

LinkedList

get(int index)

根据下标直接查询get(int index)

O(1)

遍历获取

O(n)

2、插入

操作

ArrayList

LinkedList

add(E e) 尾插

都是直接尾部插入

O(1)

add(E e, int index)

指定位置插入

尾插：O(1)

其它：O(n)

头部、尾部插入：O(1)

其它： O(n)

3、删除

操作

ArrayList

LinkedList

remove()

remove()直接删除头元素

O(1)

remove(int index)

指定位置删除

尾删：O(1)

其它：O(n)，需要移动元素

头删、尾删：O(1)，

其它都是O(n)

二、数据结构

ArrayList是实现了基于动态(可动态扩容)数组的数据结构；

ArrayList继承自AbstractList。

LinkedList基于双向链表的数据结构；

LinkedList继承自AbstractSequentialList，而且实现了Deque<E>接口；

三、ArrayList详解

3.1、ArrayList主要成员变量：

// 默认初试容量大小
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;

// 实际元素个数
private int size;

// ArrayList存放的数据
transient Object[] elementData;

// 记录对 List 操作的次数。主要使用是在 Iterator，是防止在迭代的过程中集合被修改。
protected transient int modCount = 0;

private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};

// ArrayList的默认空元素链表
private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};

3.2、ArrayList构造函数

ArrayList提供了三个构造函数来对elementData数组初始化：
【1】无参构造函数：构造一个容量大小为 10 的空的 list 集合，但构造函数了只是给 elementData 赋值了一个空的数组，其实是在第一次添加元素时容量扩大至 10 的。
【2】指定容量的构造函数：直接初始化数组为指定的大小。
【3】带有一个集合参数的构造函数：把指定集合中的数据通过Arrays.copyOf拷贝到elementData中，容量和指定集合容量相同。

private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};
private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};
transient Object[] elementData;

//无参构造函数直接赋值一个空的数组
public ArrayList() {
        this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
}

//指定大小的构造函数
public ArrayList(int initialCapacity) {
    if (initialCapacity > 0) {
        this.elementData = new Object[initialCapacity];
    } else if (initialCapacity == 0) {
        this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
    } else {
        throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+
                                           initialCapacity);
    }
}

//构造一个包含指定*集合的元素的列表。
public ArrayList(Collection<? extends E> c) {
    elementData = c.toArray();
    if ((size = elementData.length) != 0) {
        // c.toArray might (incorrectly) not return Object[] (see 6260652)
        if (elementData.getClass() != Object[].class)
            elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class);
    } else {
        // size为0
        // replace with empty array.
        this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
    }
}

【1】当使用无参构造函数时是把 DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA 赋值给 elementData；

【2】有参构造函数public ArrayList(int initialCapacity) ，当 initialCapacity 为零时则是把 EMPTY_ELEMENTDATA 赋值给 elementData，当 initialCapacity 大于零时初始化一个大小为 initialCapacity 的 object 数组并赋值给 elementData。

【3】使用指定 Collection 来构造 ArrayList 的构造函数，将 Collection 转化为数组并赋值给 elementData，把 elementData 中元素的个数赋值给 size。如果 size 不为零，则判断 elementData 的 class 类型是否为 Object[]，不是的话则做一次转换。如果 size 为零，则把 EMPTY_ELEMENTDATA 赋值给 elementData，相当于new ArrayList(0)。

3.3、扩容

添加元素时使用 ensureCapacityInternal() 方法来保证容量足够，如果不够时，需要使用 grow() 方法进行扩容，新容量的大小为 oldCapacity + (oldCapacity >> 1)，也就是旧容量的 1.5 倍。

扩容操作需要调用 Arrays.copyOf() 把原数组整个复制到新数组中，这个操作代价很高，因此最好在创建 ArrayList 对象时就指定大概的容量大小，减少扩容操作的次数。

public boolean add(E e) {
    ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
    elementData[size++] = e;
    return true;
}

private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
    if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
        minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
    }
    ensureExplicitCapacity(minCapacity);
}

private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
    modCount++;
    // overflow-conscious code
    if (minCapacity - elementData.length > 0)
        grow(minCapacity);
}

private void grow(int minCapacity) {
	// overflow-conscious code
	int oldCapacity = elementData.length;
	int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
	if (newCapacity - minCapacity < 0)
	    newCapacity = minCapacity;
	if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
	    newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
	// minCapacity is usually close to size, so this is a win:
	elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
}

private static int hugeCapacity(int minCapacity) {
    if (minCapacity < 0) // overflow
        throw new OutOfMemoryError();
    return (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ?
        Integer.MAX_VALUE :
        MAX_ARRAY_SIZE;
}

每次添加元素到集合中时都会先确认下集合容量大小。然后将 size 自增 1；

ensureCapacityInternal 函数中判断如果 elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA 就取 DEFAULT_CAPACITY 和 minCapacity 的最大值也就是 10。这就是 EMPTY_ELEMENTDATA 与 DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA 的区别所在。同时也验证了上面的说法：使用无参构造函数时是在第一次添加元素时初始化容量为 10 的。ensureExplicitCapacity 中对 modCount 自增 1，记录操作次数，然后如果 minCapacity 大于 elementData 的长度，则对集合进行扩容。显然第一次添加元素时 elementData 的长度为零；

grow 函数默认将扩容至原来容量的 1.5 倍。但是扩容之后也不一定适用，有可能太小，有可能太大。所以才会有下面两个 if 判断。如果1.5倍太小的话，则将我们所需的容量大小赋值给newCapacity，如果1.5倍太大或者我们需要的容量太大，那就直接拿 newCapacity = (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ? Integer.MAX_VALUE : MAX_ARRAY_SIZE 来扩容。然后将原数组中的数据复制到大小为 newCapacity 的新数组中，并将新数组赋值给 elementData。

3.4、remove删除操作

public E remove(int index) {
	rangeCheck(index);
	modCount++;
	E oldValue = elementData(index);
	int numMoved = size - index - 1;
	if (numMoved > 0)
		System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index, numMoved);
	elementData[--size] = null; // clear to let GC do its work
	return oldValue;
}
	
public boolean remove(Object o) {
	if (o == null) {
		for (int index = 0; index < size; index++)
			if (elementData[index] == null) {
				fastRemove(index);
				return true;
			}
	} else {
		for (int index = 0; index < size; index++)
			if (o.equals(elementData[index])) {
				fastRemove(index);
				return true;
			}
	}
	return false;
}

private void fastRemove(int index) {
	modCount++;
	int numMoved = size - index - 1;
	if (numMoved > 0)
		System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,numMoved);
	elementData[--size] = null; // clear to let GC do its work
}

当我们调用 remove(int index) 时，首先会检查 index 是否合法，然后再判断要删除的元素是否位于数组的最后一个位置。如果 index 不是最后一个，就再次调用 System.arraycopy() 方法拷贝数组。说白了就是将从 index + 1 开始向后所有的元素都向前挪一个位置。然后将数组的最后一个位置空，size - 1。如果 index 是最后一个元素那么就直接将数组的最后一个位置空，size - 1即可。当我们调用 remove(Object o) 时，会把 o 分为是否为空来分别处理。然后对数组做遍历，找到第一个与 o 对应的下标 index，然后调用 fastRemove 方法，删除下标为 index 的元素。其实仔细观察 fastRemove(int index) 方法和 remove(int index) 方法基本全部相同。

3.5、get操作

public E get(int index) {
	rangeCheck(index);
	return elementData(index);
}

由于 ArrayList 底层是基于数组实现的，所以获取元素就相当简单了，直接调用数组随机访问即可。

3.6、迭代器Iterator

在用 for 遍历集合的时候是不可以对集合进行 remove操作的，因为 remove 操作会改变集合的大小。从而容易造成结果不准确甚至数组下标越界，更严重者还会抛出 ConcurrentModificationException并发修改异常。

迭代器是返回一个Itr对象：

public Iterator<E> iterator() {
	return new Itr();
}

private class Itr implements Iterator<E> {
	int cursor;       // index of next element to return
	int lastRet = -1; // index of last element returned; -1 if no such
	int expectedModCount = modCount;

	public boolean hasNext() {
		return cursor != size;
	}

	@SuppressWarnings("unchecked")
	public E next() {
		checkForComodification();
		int i = cursor;
		if (i >= size)
			throw new NoSuchElementException();
		Object[] elementData = ArrayList.this.elementData;
		if (i >= elementData.length)
			throw new ConcurrentModificationException();
		cursor = i + 1;
		return (E) elementData[lastRet = i];
	}

	public void remove() {
		if (lastRet < 0)
			throw new IllegalStateException();
		checkForComodification();

		try {
			ArrayList.this.remove(lastRet);
			cursor = lastRet;
			lastRet = -1;
			expectedModCount = modCount;
		} catch (IndexOutOfBoundsException ex) {
			throw new ConcurrentModificationException();
		}
	}

	final void checkForComodification() {
		if (modCount != expectedModCount)
			throw new ConcurrentModificationException();
	}
}

从源码可以看出，ArrayList 定义了一个内部类 Itr 实现了 Iterator 接口；

在 Itr 内部有三个成员变量：
cursor：代表下一个要访问的元素下标；
lastRet：代表上一个要访问的元素下标；
expectedModCount：代表对 ArrayList 修改次数的期望值，初始值为 modCount；

下面看看 Itr 的三个主要函数：
hasNext 实现比较简单，如果下一个元素的下标等于集合的大小，就证明到最后了；
next 方法也不复杂，但很关键。首先判断 expectedModCount 和 modCount 是否相等。然后对 cursor 进行判断，看是否超过集合大小和数组长度。然后将 cursor 赋值给 lastRet ，并返回下标为 lastRet 的元素。最后将 cursor 自增 1。开始时，cursor = 0，lastRet = -1；每调用一次 next 方法， cursor 和 lastRet 都会自增 1。
remove 方法首先会判断 lastRet 的值是否小于 0，然后在检查 expectedModCount 和 modCount 是否相等。接下来是关键，直接调用 ArrayList 的 remove 方法删除下标为 lastRet 的元素。然后将 lastRet 赋值给 cursor ，将 lastRet 重新赋值为 -1，并将 modCount 重新赋值给 expectedModCount。

下面我们一步一步来分析 Itr 的操作。如上图所示，开始时 cursor 指向下标为 0 的元素，lastRet 指向下标为 -1 的元素，也就是 null。每调用一次 next，cursor 和lastRet 就分别会自增 1。当 next 返回 "C" 时，cursor 和 lastRet 分别为 3 和 2 （下图所示）。

此时调用 remove，注意是 ArrayList 的 remove，而不是 Itr 的 remove。会将 D E 两个元素直接往前移动一位，最后一位置空，并且 modCount 会自增 1。从 remove 方法可以看出（下图所示）。

此时 cursor = 3，size = 4，没有到数组末尾，所以循环继续。来到 next 方法，因为上一步的 remove 方法对 modCount 做了修改，致使 expectedModCount 与 modCount 不相等，这就是 ConcurrentModificationException 异常的原因所在。从例子.png中也可以看出异常出自 ArrayList 中的内部类 Itr 中的 checkForComodification 方法。

异常解决：

直接调用 iterator.remove() 即可。因为在该方法中增加了 expectedModCount = modCount 操作。但是这个 remove 方法也有弊端。

只能进行remove操作，add、clear 等 Itr 中没有。
调用 remove 之前必须先调用 next。因为 remove 开始就对 lastRet 做了校验。而 lastRet 初始化时为 -1。
next 之后只可以调用一次 remove。因为 remove 会将 lastRet 重新初始化为 -1

总结： ArrayList 底层基于数组实现容量大小动态可变。扩容机制为首先扩容为原始容量的 1.5 倍。如果1.5倍太小的话，则将我们所需的容量大小赋值给 newCapacity，如果1.5倍太大或者我们需要的容量太大，那就直接拿 newCapacity = (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ? Integer.MAX_VALUE : MAX_ARRAY_SIZE 来扩容。扩容之后是通过数组的拷贝来确保元素的准确性的，所以尽可能减少扩容操作。 ArrayList 的最大存储能力：Integer.MAX_VALUE。 size 为集合中存储的元素的个数。elementData.length 为数组长度，表示最多可以存储多少个元素。如果需要边遍历边 remove ，必须使用 iterator。且 remove 之前必须先 next，next 之后只能用一次 remove。

LinkedList详解见：LinkedList详解

参考：
什么是 ArrayList：https://juejin.im/post/6844903566331609096
吃透Java集合系列三：ArrayList：https://blog.youkuaiyun.com/u013277209/article/details/101757718