文章内容转自【沉默王二】,对几篇相关文章进行了整合
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ArrayList 和 LinkedList 是 List 接口的两种不同实现,并且两者都不是线程安全的。ArrayList 是基于动态数组实现的,LinkedList 是基于双向链表实现的。这是最本质的区别。
ArrayList随机访问一个元素的时间复杂度为 O(1),但 LinkedList 要复杂一些,因为数据增大多少倍,耗时就增大多少倍,因为要循环遍历,所以时间复杂度为 O(n)。
至于 LinkedList 在插入、添加、删除元素的时候有没有比 ArrayList 更快,这要取决于数据量的大小,以及元素所在的位置,一般来说操作位置靠近开头和结尾速度就会很快,如果操作在位置是在中间位置,由于会遍历大量的数据,所以效率会很低。不过,从理论上来说,由于不需要移动数组,应该会更快一些。
ArrayList的实现
ArrayList 实现了 List 接口,继承了 AbstractList 抽象类,底层是基于数组实现的,并且实现了动态扩容。
public class ArrayList<E> extends AbstractList<E>
implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable
{
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
transient Object[] elementData;
private int size;
}
注:ArrayList 中的关键字段 elementData 使用了 transient 关键字修饰,这个关键字的作用是,让它修饰的字段不被序列化。
如果非常确定 ArrayList 中元素的个数,在创建的时候还可以指定初始大小。
List<String> alist = new ArrayList<>(20);
这样做的好处是,可以有效地避免在添加新的元素时进行不必要的扩容。但通常情况下,我们很难确定 ArrayList 中元素的个数,因此一般不指定初始大小。
如果创建 ArrayList 的时候没有指定初始大小,那么 ArrayList 的初始大小就是 DEFAULT_CAPACITY = 10
ArrayList 还实现了 RandomAccess 接口,这是一个标记接口:
public interface RandomAccess {
}
内部是空的,标记“实现了这个接口的类支持快速(通常是固定时间)随机访问”。快速随机访问是什么意思呢?就是说不需要遍历,就可以通过下标(索引)直接访问到内存地址。
get(int index)
方法的时间复杂度为 O(1) ,因为是直接从底层数组根据下标获取的,和数组长度无关。
public E get(int index) {
Objects.checkIndex(index, size);
return elementData(index);
}
E elementData(int index) {
return (E) elementData[index];
}
ArrayList 还实现了 Cloneable 接口,这表明 ArrayList 是支持拷贝的。ArrayList 内部的确也重写了 Object 类的clone()
方法。
public Object clone() {
try {
ArrayList<?> v = (ArrayList<?>) super.clone();
v.elementData = Arrays.copyOf(elementData, size);
v.modCount = 0;
return v;
} catch (CloneNotSupportedException e) {
// this shouldn't happen, since we are Cloneable
throw new InternalError(e);
}
}
ArrayList 还实现了 Serializable 接口,同样是一个标记接口:
public interface Serializable {
}
内部也是空的,标记“实现了这个接口的类支持序列化”。(Java 的序列化是指,将对象转换成以字节序列的形式来表示,这些字节序中包含了对象的字段和方法。序列化后的对象可以被写到数据库、写到文件,也可用于网络传输。)
这不前后矛盾吗?一个类既然实现了Serilizable 接口,肯定是想要被序列化的,对吧?那为什么保存关键数据的 elementData 又不想被序列化呢?
这还得从 “ArrayList 是基于数组实现的”开始说起。大家都知道,数组是定长的,一旦声明了,长度(容量)就是固定的,一旦装满了,就不能添加新的元素进来了。
ArrayList 想能屈能伸,所以它实现了动态扩容。一旦在添加元素的时候,发现容量用满了 s == elementData.length
,就按照原来数组的 1.5 倍(oldCapacity >> 1)
进行扩容。扩容之后,再将原有的数组复制到新分配的内存地址上 Arrays.copyOf(elementData, newCapacity)
。
private void add(E e, Object[] elementData, int s) {
if (s == elementData.length)
elementData = grow();
elementData[s] = e;
size = s + 1;
}
private Object[] grow() {
return grow(size + 1);
}
private Object[] grow(int minCapacity) {
int oldCapacity = elementData.length;
if (oldCapacity > 0 || elementData != DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
int newCapacity = ArraysSupport.newLength(oldCapacity,
minCapacity - oldCapacity, /* minimum growth */
oldCapacity >> 1 /* preferred growth */);
return elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
} else {
return elementData = new Object[Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity)];
}
}
注意:内部执行的 Arrays.copyOf()
方法是耗时的关键,需要把原有数组中的元素复制到扩容后的新数组当中。
动态扩容意味着数组的实际大小可能永远无法被填满的,总有多余出来空置的内存空间。
比如说,默认的数组大小是 10,当添加第 11 个元素的时候,数组的长度扩容了 1.5 倍,也就是 15,意味着还有 4 个内存空间是闲置的,对吧?
序列化的时候,如果把整个数组都序列化的话,是不是就多序列化了 4 个内存空间。当存储的元素数量非常非常多的时候,闲置的空间就非常非常大,序列化耗费的时间就会非常非常多。
于是,ArrayList 做了一个愉快而又聪明的决定,内部提供了两个私有方法 writeObject
和 readObject
来完成序列化和反序列化。
private void writeObject(java.io.ObjectOutputStream s)
throws java.io.IOException {
// Write out element count, and any hidden stuff
int expectedModCount = modCount;
s.defaultWriteObject();
// Write out size as capacity for behavioral compatibility with clone()
s.writeInt(size);
// Write out all elements in the proper order.
for (int i=0; i<size; i++) {
s.writeObject(elementData[i]);
}
if (modCount != expectedModCount) {
throw new ConcurrentModificationException();
}
}
从 writeObject 方法的源码中可以看得出,它使用了 ArrayList 的实际大小size而不是数组的长度(elementData.length)来作为元素的上限进行序列化。
此处应该有掌声啊!
LinkedList的实现
LinkedList 是一个继承自 AbstractSequentialList 的双向链表,因此它也可以被当作堆栈、队列或双端队列进行操作。
public class LinkedList<E>
extends AbstractSequentialList<E>
implements List<E>, Deque<E>, Cloneable, java.io.Serializable
{
transient int size = 0;
transient Node<E> first;
transient Node<E> last;
}
LinkedList 内部定义了一个 Node 节点,它包含 3 个部分:元素内容 item,前引用 prev 和后引用 next。代码如下所示:
private static class Node<E> {
E item;
LinkedList.Node<E> next;
LinkedList.Node<E> prev;
Node(LinkedList.Node<E> prev, E element, LinkedList.Node<E> next) {
this.item = element;
this.next = next;
this.prev = prev;
}
}
LinkedList 还实现了 Cloneable 接口,这表明 LinkedList 是支持拷贝的。
LinkedList 还实现了 Serializable 接口,这表明 LinkedList 是支持序列化的。眼睛雪亮的小伙伴可能又注意到了,LinkedList 中的关键字段 size、first、last 都使用了 transient 关键字修饰,这不又矛盾了吗?到底是想序列化还是不想序列化?
答案是 LinkedList 想按照自己的方式序列化,来看它自己实现的 writeObject() 方法:
private void writeObject(java.io.ObjectOutputStream s)
throws java.io.IOException {
// Write out any hidden serialization magic
s.defaultWriteObject();
// Write out size
s.writeInt(size);
// Write out all elements in the proper order.
for (LinkedList.Node<E> x = first; x != null; x = x.next)
s.writeObject(x.item);
}
LinkedList 在序列化的时候只保留了元素的内容 item,并没有保留元素的前后引用。这样就节省了不少内存空间。
那有些小伙伴可能就疑惑了,只保留元素内容,不保留前后引用,那反序列化的时候怎么办?
private void readObject(java.io.ObjectInputStream s)
throws java.io.IOException, ClassNotFoundException {
// Read in any hidden serialization magic
s.defaultReadObject();
// Read in size
int size = s.readInt();
// Read in all elements in the proper order.
for (int i = 0; i < size; i++)
linkLast((E)s.readObject());
}
void linkLast(E e) {
final LinkedList.Node<E> l = last;
final LinkedList.Node<E> newNode = new LinkedList.Node<>(l, e, null);
last = newNode;
if (l == null)
first = newNode;
else
l.next = newNode;
size++;
modCount++;
}
注意 for 循环中的 linkLast()
方法,它可以把链表重新链接起来,这样就恢复了链表序列化之前的顺序。
和 ArrayList 相比,LinkedList 没有实现 RandomAccess 接口,这是因为 LinkedList 存储数据的内存地址是不连续的,所以不支持随机访问。
get(int index)
方法的时间复杂度为 O(n),因为需要循环遍历整个链表。
public E get(int index) {
checkElementIndex(index);
return node(index).item;
}
LinkedList.Node<E> node(int index) {
// assert isElementIndex(index);
if (index < (size >> 1)) {
LinkedList.Node<E> x = first;
for (int i = 0; i < index; i++)
x = x.next;
return x;
} else {
LinkedList.Node<E> x = last;
for (int i = size - 1; i > index; i--)
x = x.prev;
return x;
}
}
下标小于链表长度的一半时,从前往后遍历;否则从后往前遍历,这样从理论上说,就节省了一半的时间。
如果下标为 0 或者 list.size() - 1
的话,时间复杂度为 O(1)。因为first 和 last 在链表中是直接存储的,可以使用 getFirst()
和 getLast()
方法。
public E getFirst() {
final LinkedList.Node<E> f = first;
if (f == null)
throw new NoSuchElementException();
return f.item;
}
public E getLast() {
final LinkedList.Node<E> l = last;
if (l == null)
throw new NoSuchElementException();
return l.item;
}
ArrayList和LinkedList添加元素比较
(一)ArrayList
add(E e)
添加到末尾:先判断是否需要扩容,然后直接通过索引将元素添加到末尾。如果不需要扩容,时间复杂度为 O(1),如果扩容,时间复杂度为 O(n)。
public boolean add(E e) {
modCount++;
add(e, elementData, size);
return true;
}
private void add(E e, Object[] elementData, int s) {
if (s == elementData.length)
elementData = grow();
elementData[s] = e;
size = s + 1;
}
add(int index, E element)
添加到指定位置:先检查插入的位置是否在合理的范围之内,然后判断是否需要扩容,再把该位置以后的元素复制到新添加元素的位置之后,最后通过索引将元素添加到指定的位置。这种情况是非常伤的,性能会比较差。根据最坏的打算(不管需要不需要扩容,System.arraycopy()
肯定要执行),所以时间复杂度为 O(n)。
public void add(int index, E element) {
rangeCheckForAdd(index);
modCount++;
final int s;
Object[] elementData;
if ((s = size) == (elementData = this.elementData).length)
elementData = grow();
System.arraycopy(elementData, index,
elementData, index + 1,
s - index);
elementData[index] = element;
size = s + 1;
}
(二)LinkedList
add(E e)
添加到末尾:先将队尾的节点 last 存放到临时变量 l 中,然后生成新的 Node 节点,并赋给 last,如果 l 为 null,说明是第一次添加,所以 first 为新的节点;否则将新的节点赋给之前 last 的 next。时间复杂度为 O(1)。
public boolean add(E e) {
linkLast(e);
return true;
}
void linkLast(E e) {
final LinkedList.Node<E> l = last;
final LinkedList.Node<E> newNode = new LinkedList.Node<>(l, e, null);
last = newNode;
if (l == null)
first = newNode;
else
l.next = newNode;
size++;
modCount++;
}
add(int index, E element)
添加到指定位置:先检查插入的位置是否在合理的范围之内,然后判断插入的位置是否是队尾,如果是,添加到队尾;否则执行linkBefore()
方法。
public void add(int index, E element) {
checkPositionIndex(index);
if (index == size)
linkLast(element);
else
linkBefore(element, node(index));
}
LinkedList.Node<E> node(int index) {
// assert isElementIndex(index);
if (index < (size >> 1)) {
LinkedList.Node<E> x = first;
for (int i = 0; i < index; i++)
x = x.next;
return x;
} else {
LinkedList.Node<E> x = last;
for (int i = size - 1; i > index; i--)
x = x.prev;
return x;
}
}
void linkBefore(E e, LinkedList.Node<E> succ) {
// assert succ != null;
final LinkedList.Node<E> pred = succ.prev;
final LinkedList.Node<E> newNode = new LinkedList.Node<>(pred, e, succ);
succ.prev = newNode;
if (pred == null)
first = newNode;
else
pred.next = newNode;
size++;
modCount++;
}
在执行 linkBefore()
方法之前,会调用 node()
方法查找指定位置上的元素,这一步是需要遍历 LinkedList 的。如果插入的位置靠近前半段,就从队头开始往后找;否则从队尾往前找。也就是说,如果插入的位置越靠近 LinkedList 的中间位置,遍历所花费的时间就越多。
找到指定位置上的元素(succ)之后,就开始执行 linkBefore()
方法了,先将 succ 的前一个节点(prev)存放到临时变量 pred 中,然后生成新的 Node 节点(newNode),并将 succ 的前一个节点变更为 newNode,如果 pred 为 null,说明插入的是队头,所以 first 为新节点;否则将 pred 的后一个节点变更为 newNode。
当两者的起始长度是一样的情况下:
- 如果是从集合的头部新增元素,ArrayList 花费的时间应该比 LinkedList 要多很多,因为需要对头部以后的元素进行复制。
- 如果是从集合的中间位置新增元素,ArrayList 花费的时间搞不好要比 LinkedList 少很多,因为 LinkedList 需要遍历。
- 如果是从集合的尾部新增元素,ArrayList 花费的时间应该比 LinkedList 少,因为数组是一段连续的内存空间,也不需要复制数组;而链表需要创建新的对象,前后引用也要重新排列。
【结论】
ArrayList 在添加元素的时候如果不涉及到扩容,性能在两种情况下(中间位置新增元素、尾部新增元素)比 LinkedList 好很多,只有头部新增元素的时候比 LinkedList 差,因为数组复制的原因。
当然了,如果涉及到数组扩容的话,ArrayList 的性能就没那么可观了,因为扩容的时候也要复制数组。
ArrayList和LinkedList删除元素比较
(一)ArrayList
remove(Object)
直接删除:时间复杂度为 O(n)
public boolean remove(Object o) {
final Object[] es = elementData;
final int size = this.size;
int i = 0;
found: {
if (o == null) {
for (; i < size; i++)
if (es[i] == null)
break found;
} else {
for (; i < size; i++)
if (o.equals(es[i]))
break found;
}
return false;
}
fastRemove(es, i);
return true;
}
remove(int)
按照索引删除:时间复杂度为 O(n)
public E remove(int index) {
Objects.checkIndex(index, size);
final Object[] es = elementData;
@SuppressWarnings("unchecked") E oldValue = (E) es[index];
fastRemove(es, index);
return oldValue;
}
它们最后调用的都是 fastRemove(Object, int)
方法。当删除的是末尾的元素时,不需要复制数组,直接把末尾的元素赋值为 null 即可,只要删除的不是最后一个元素,都需要数组重组。删除的元素位置越靠前,代价就越大。
private void fastRemove(Object[] es, int i) {
modCount++;
final int newSize;
if ((newSize = size - 1) > i)
System.arraycopy(es, i + 1, es, i, newSize - i);
es[size = newSize] = null;
}
(二)LinkedList
remove(Object)
直接删除:遍历整个集合,时间复杂度为 O(n)。
public boolean remove(Object o) {
if (o == null) {
for (LinkedList.Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
if (x.item == null) {
unlink(x);
return true;
}
}
} else {
for (LinkedList.Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
if (o.equals(x.item)) {
unlink(x);
return true;
}
}
}
return false;
}
remove(int)
按照索引删除:考虑到需要调用node(index)
方法查找元素,所以时间复杂度为 O(n)。
public E remove(int index) {
checkElementIndex(index);
return unlink(node(index));
}
该方法会调用 unlink()
方法对前后节点进行更新。
E unlink(Node<E> x) {
// assert x != null;
final E element = x.item;
final Node<E> next = x.next;
final Node<E> prev = x.prev;
if (prev == null) {
first = next;
} else {
prev.next = next;
x.prev = null;
}
if (next == null) {
last = prev;
} else {
next.prev = prev;
x.next = null;
}
x.item = null;
size--;
modCount++;
return element;
}
removeFirst()
:删除第一个节点。时间复杂度为 O(1) 。
public E removeFirst() {
final LinkedList.Node<E> f = first;
if (f == null)
throw new NoSuchElementException();
return unlinkFirst(f);
}
private E unlinkFirst(LinkedList.Node<E> f) {
// assert f == first && f != null;
final E element = f.item;
final LinkedList.Node<E> next = f.next;
f.item = null;
f.next = null; // help GC
first = next;
if (next == null)
last = null;
else
next.prev = null;
size--;
modCount++;
return element;
}
removeLast()
:删除最后一个节点。时间复杂度为 O(1) 。
代码测试结果和新增元素保持一致:
- 从集合头部删除元素时,ArrayList 花费的时间比 LinkedList 多很多;
- 从集合中间位置删除元素时,ArrayList 花费的时间比 LinkedList 少很多;
- 从集合尾部删除元素时,ArrayList 花费的时间比 LinkedList 少一点。
【结论】
LinkedList 在删除比较靠前和比较靠后的元素时,非常高效,但如果删除的是中间位置的元素,效率就比较低了。
ArrayList和LinkedList遍历元素比较
(一)ArrayList
get(int)
:根据索引找元素非常的快,一步到位。时间复杂度 O(1) 。
public E get(int index) {
Objects.checkIndex(index, size);
return elementData(index);
}
indexOf(Object)
:根据元素找索引的话,就需要遍历整个数组了,从头到尾依次找。时间复杂度 O(n) 。
public int indexOf(Object o) {
return indexOfRange(o, 0, size);
}
int indexOfRange(Object o, int start, int end) {
Object[] es = elementData;
if (o == null) {
for (int i = start; i < end; i++) {
if (es[i] == null) {
return i;
}
}
} else {
for (int i = start; i < end; i++) {
if (o.equals(es[i])) {
return i;
}
}
}
return -1;
}
(二)LinkedList
get(int)
:需要调用node(int)
方法,时间复杂度 O(n) 。
public E get(int index) {
checkElementIndex(index);
return node(index).item;
}
indexOf(Object)
:和 ArrayList 的 indexOf() 类似,需要遍历整个链表。
如果使用的是 for 循环,可想而知 LinkedList 在 get 的时候性能会非常差,因为每一次外层的 for 循环,都要执行一次 node(int) 方法进行前后半段的遍历。
如果使用的是迭代器,迭代器只会调用一次 node(int) 方法,返回第一个节点。在此之后,迭代器就执行hasNext()
判断有没有下一个,执行next()
方法下一个节点。
【结论】
遍历 LinkedList 的时候,千万不要使用 for 循环,要使用迭代器。
for 循环遍历的时候,ArrayList 花费的时间远小于 LinkedList;迭代器遍历的时候,两者性能差不多。
大佬总结
如果列表很大很大,ArrayList 和 LinkedList 在内存的使用上也有所不同。LinkedList 的每个元素都有更多开销,因为要存储上一个和下一个元素的地址。ArrayList 没有这样的开销。
但是,ArrayList 占用的内存在声明的时候就已经确定了(默认大小为 10),不管实际上是否添加了元素,因为复杂对象的数组会通过 null 来填充。LinkedList 在声明的时候不需要指定大小,元素增加或者删除时大小随之改变。
另外,ArrayList 只能用作列表;LinkedList 可以用作列表或者队列,因为它还实现了 Deque 接口。
我在写这篇文章的时候,遇到了一些问题,所以请教了一些大厂的技术大佬,结果有个朋友说,“如果真的不知道该用 ArrayList 还是 LinkedList,就选择 ArrayList 吧!”
我当时以为他在和我开玩笑呢,结果通过时间复杂度的分析,好像他说得有道理啊。查询的时候,ArrayList 比 LinkedList 快,这是毋庸置疑的;插入和删除的时候,之前有很多资料说 LinkedList 更快,时间复杂度为 O(1) ,但其实不是的,因为要遍历列表,对吧?
反而 ArrayList 更轻量级,不需要在每个元素上维护上一个和下一个元素的地址。