前言
通过之前的《数据表-线性结构》。我们已经了解了数据结构中线性表这种存储结构的特点，并就其顺序存储和链式存储的优缺点，及实现方式做了深入的分析，并做了简单的实现；这里我们就从日常开发中常用的ArrayList和LinkedList出发，巩固学习一下线性表这种数据结构。
下面就从线性表的ADT出发，结合其构造函数，常用的增删改查方法的实现，比较一下两种存储结构的特点。
以下源码内容源自于Android SDK API（api-level 25)，部分方法的实现和普通的Java JDK中的实现会有一些出入；日常开发中，API的实现必然是以Android SDK 为主，所以还是从Android SDK 内自带的实现出发分析。
ArrayList
ArrayList本质上就是一个动态数组。
初始化及构造函数
public class ArrayList<E> extends AbstractList<E>
implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable
{
private static final long serialVersionUID = 8683452581122892189L;
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};
transient Object[] elementData;
private int size;
public ArrayList(int initialCapacity) {
super();
if (initialCapacity < 0)
throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+
initialCapacity);
this.elementData = new Object[initialCapacity];
}
public ArrayList() {
super();
this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
}
public ArrayList(Collection<? extends E> c) {
elementData = c.toArray();
size = elementData.length;
// c.toArray might (incorrectly) not return Object[] (see 6260652)
if (elementData.getClass() != Object[].class)
elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class);
}
}
构造函数的实现，很容易理解；这里需要注意以下，我们可以使用其他的集合初始化ArrayList，本质上就是把一个集合中的内容复制到一个数组中。c.toArray实现了列表集合到数组的转换，Arrays.copyOf就是数组的拷贝。当然，这个过程不一定会成功，当失败的时候，会由Arrays.copyOf内部抛出NullPointerException。
增、删、改、查 的实现
增
既然是一个动态数组，那么他是怎样实现动态增长的呢？
public boolean add(E e) {
ensureCapacityInternal(size + 1); // Increments modCount!!
elementData[size++] = e;
return true;
}
private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
if (elementData == 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);
}
/**
* The maximum size of array to allocate.
* Some VMs reserve some header words in an array.
* Attempts to allocate larger arrays may result in
* OutOfMemoryError: Requested array size exceeds VM limit
*/
private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;
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;
}
可以看到，对于数组的大小何时改变，如何改变，有着非常严格的规则。
- 对于空数组，第一次添加元素时，数组大小将变化为 DEFAULT_CAPACITY，也就是10的大小，add操作，总是将元素添加到数组最后。
- 当我们不断添加元素，动态数组的size大于DEFAULT_CAPACITY时，例如我们添加了第11个元素，此时在grow方法中，
int oldCapacity = elementData.length;
int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
最终，newCapacity 的值为elementData.length的1.5倍，也就是15，因此，此时数组大小将变化为15。也就是说，正常情况下，ArrayList每次扩容，都将会在原来的基础上，增加50%的大小。
- 如果数组不断的增长，当我们按增长50%的规律扩容后，如果newCapacity大于MAX_ARRAY_SIZE时，此时数组最大的长度为Integer.MAX_VALUE。
删
public E remove(int index) {
if (index >= size)
throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
modCount++;
E oldValue = (E) 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;
}
相较于添加一个元素来说，删除一个特定位置的元素就简单多，按照位置关系把数组元素整体（复制）移动一遍，然后将特定位置的引用指向null即可;当然，也可以按照元素的值，从数组中移除元素，或者清空数组，本质上都是一样的工作，就不赘述了。
通过以上内容可以看到，为了方便实现数组的复制操作，这里Arrays.copy 和System.arraycopy 方法，Arrays.copy 在上一篇Java工具类之Arrays梳理中已经介绍过了，System.arraycopy是其内部实现。
改 & 查
public E set(int index, E element) {
if (index >= size)
throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
E oldValue = (E) elementData[index];
elementData[index] = element;
return oldValue;
}
public E get(int index) {
if (index >= size)
throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
return (E) elementData[index];
}
由于实现了RandomAccess接口，因此随机访问数组元素是一件特定容易的事情，修改变得so easy，根据数组下标赋值操作，小学生都看得懂了。因此，可以看到对ArrayList，修改和查找是一件十分容易的事情。
批量操作
批量添加
对于动态数组的批量添加操作，和单个元素的操作是没有多少区别的，无非就是进行扩容操作，复制和移动数组元素时，确定好各自的位置就可以了。
public boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c) {
if (index > size || index < 0)
throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
Object[] a = c.toArray();
int numNew = a.length;
ensureCapacityInternal(size + numNew); // Increments modCount
int numMoved = size - index;
if (numMoved > 0)
System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + numNew,
numMoved);
System.arraycopy(a, 0, elementData, index, numNew);
size += numNew;
return numNew != 0;
}
在ArrayList的特定位置，添加一组数据，可以看到关键点都是数组元素的复制。这个时候ensureCapacityInternal的参数，就有可能是一个非常大的值，参考前面add()方法中的扩容操作，这种情况下，一次性可能需要将数组扩大很多。
批量移除
对于批量移除,ArrayList提供了两个使用的方法：
public boolean removeAll(Collection<?> c) {
return batchRemove(c, false);
}
从当前的ArrayList集合中移除所有包含在集合c中的元素。
public boolean retainAll(Collection<?> c) {
return batchRemove(c, true);
}
从当前的ArrayList集合中移除所有不在集合c中的元素，换句话说，就是保留两个集合中共有的元素。
可以说，这两个方法实现的操作是互斥的。而他们内部实现都是batchRemove，我们可以看一下。
private boolean batchRemove(Collection<?> c, boolean complement) {
final Object[] elementData = this.elementData;
int r = 0, w = 0;
boolean modified = false;
try {
for (; r < size; r++)
if (c.contains(elementData[r]) == complement)
elementData[w++] = elementData[r];
} finally {
// Preserve behavioral compatibility with AbstractCollection,
// even if c.contains() throws.
if (r != size) {
System.arraycopy(elementData, r,
elementData, w,
size - r);
w += size - r;
}
if (w != size) {
// clear to let GC do its work
for (int i = w; i < size; i++)
elementData[i] = null;
modCount += size - w;
size = w;
modified = true;
}
}
return modified;
}
这里使用contains方法，实现了元素的筛选。根据if语句，只有当complement为true时，也就是执行retainAll()方法时，w才会累加；需要注意的是，如果两个集合中的元素不兼容，contains()方法会抛出异常，因此会导致循环提前跳出。
最终都会执行到finally语句，在这里
- 当运行retainAll()方法，循环正常执行完毕时，w=r=size;两个if 判断都不会执行，恰好保存了两个集合中共有的元素；当循环操作异常跳出时，w=r<size;第一个if 判断执行，会把后续所有的元素按照位置复制一遍，w+=size-r 后，w=size,后一个if 不执行。
- 当运行removeAll()方法，循环正常执行完毕时，r=size,w=0;后一个if 判断中，通过循环所有元素置null，恰好实现了所有元素清空的操作；当循环异常跳出时，r<size,w=0;最终只有size-r 个元素被置为null,没有所有元素清空的操作。
可以看的，这个算法的实现很是巧妙。好了，ArrayList的内容，就告一段落，下面看看LinkedList。
LinkedList
在《数据表-线性结构》中我们说过，对于数据的链式存储结构，有单链表，循环链表，双向链表，静态链表四种实现，而LinkedList 就是以双向循环链表双向链表的方式实现。
这里需要注意的是，这里的LinkedList是双向链表，但并不是首位相连接的循环链表。
为了方便，我们可以看看下面这幅图，回想一下一个双向链表有哪些关键点，如何实现它的增删改查操作。
初始化及构造函数
java 里面没有指针的概念，对象指向严格来说应该是引用。但是感觉指针这个词，能更加形象的描述其作用。因此，以下对象的引用统一用指针来代替
链式存储结构的实现，需要一个结点对象，因此首先可以看一下结点类的定义。
包含前驱&后继指针的Node
private static class Node<E> {
E item;
Node<E> next;
Node<E> prev;
Node(Node<E> prev, E element, Node<E> next) {
this.item = element;
this.next = next;
this.prev = prev;
}
}
可以发现，通过构造函数，就可以创建一个结点，第一个参数为指向前驱的结点，第二个参数为当前结点的值，最后一个参数为指向后继的结点。
下面看看LinkedList是如何初始化的
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;
/**
* Constructs an empty list.
*/
public LinkedList() {
}
public LinkedList(Collection<? extends E> c) {
this();
addAll(c);
}
}
可以看到，LinkedList初始化空链表的操作很简单。
增、删、改、查 的实现
增 & 删
双向链表，由于其结构的特殊性，因此不同于数组，只能在最后添加元素的特性，链表可以在其头部，位置，中间任何位置添加元素,只要能把双向链表串起来，怎么都行。
在非空结点succ之前插入元素e
/**
* Inserts element e before non-null Node succ.
*/
void linkBefore(E e, Node<E> succ) {
// assert succ != null;
final Node<E> pred = succ.prev;
final Node<E> newNode = new Node<>(pred, e, succ);
succ.prev = newNode;
if (pred == null)
first = newNode;
else
pred.next = newNode;
size++;
modCount++;
}
对于链表的操作，永远都是那个套路，不要搞错先后顺序，其实很简单。
结合这幅图，链表插入应该很容易理解了。
对于链表中结点的删除，也是同样的道理。
/**
* Unlinks non-null node x.
*/
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;
}
这里双向链表中的结点移除后，还需要判断一下，是否需要初始化为一个空的双向链表。
改 & 查
public E get(int index) {
checkElementIndex(index);
return node(index).item;
}
public E set(int index, E element) {
checkElementIndex(index);
Node<E> x = node(index);
E oldVal = x.item;
x.item = element;
return oldVal;
}
链表的修改和查找操作，首先进行的是位置index的越界检测，然后通过node 方法获取index 位置元素进行相应的操作即可。下面看一下node实现。
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;
}
}
可以看到，这里首先会判断一下index位置和整个线性表长度的关系，然后决定是从头部开始后继查找，还是从尾部进行前驱查找。很明显，链式存储结构中，对于查找特定位置的元素，是非常麻烦的。无论怎样，按位置查找，在最坏的情况下，要把一段的元素循环一遍。这在数量级很大的时候，是不划算的。
除了按位置查找之外，还可以按照元素的值进行查找：
public int indexOf(Object o) {
int index = 0;
if (o == null) {
for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
if (x.item == null)
return index;
index++;
}
} else {
for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
if (o.equals(x.item))
return index;
index++;
}
}
return -1;
}
这个时候，最后情况下，要把所有元素都遍历一遍。
批量操作
批量添加
public boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c) {
checkPositionIndex(index);
Object[] a = c.toArray();
int numNew = a.length;
if (numNew == 0)
return false;
Node<E> pred, succ;
if (index == size) {
succ = null;
pred = last;
} else {
succ = node(index);
pred = succ.prev;
}
for (Object o : a) {
@SuppressWarnings("unchecked") E e = (E) o;
Node<E> newNode = new Node<>(pred, e, null);
if (pred == null)
first = newNode;
else
pred.next = newNode;
pred = newNode;
}
if (succ == null) {
last = pred;
} else {
pred.next = succ;
succ.prev = pred;
}
size += numNew;
modCount++;
return true;
}
从源码可以看到，使用链表结构批量添加元素是很费劲的，首先集合元素转成数组，然后根据添加位置确定结点，最后还要通过循环逐一将数组中元素串进去。
对于链表的清空操作，clear()方法，同理也需要循环各个元素，释放结点的引用，保证链表清空后，所有对象都能被回收。
其他
如果查看LinkedList的源码，我们还可以发现有peek,push,pop等一系列的方法，这是因为LinkedList同时也是一种特殊的线性表-队列。这点从其定义也可以看出来 ，他实现了Deque接口，因此是一个双端队列。这些方法都是按照队列FILO的思想，对双向链表，实现入队出队的操作；内部的真正实现还是依赖于上面提到几个方法，就不赘述了，有兴趣的同学可以对比一下。
以上，从数据结构的角度，叙述了一下ArrayList和LinkedList。注意不是从集合Collections框架的角度出发，所以暂时略过迭代器Iterator的分析。
ArrayList VS LinkedList
关于二者各自的优缺点，适合在哪些场景使用，通过通篇的描述，相信大家心里都有数了。这里就不再总结了。下面再看一下两个常用的点。
判断空
这两种不同的存储结构，是如何实现空判断的呢？
ArrayList
public boolean isEmpty() {
return size == 0;
}
LinkedList 虽然没有提供明确方法，但我们也可以根据其size做判断的。
toArray
通过Arrays 内部的静态方法asList 可以很方便的把数组转换为列表。而List接口也定义的统一的方法toArray实现列表到数组的转换；需要由每一种特殊的List提供各自的实现。我们可以看一下ArrayList和LinkedList是如何实现toArray方法的。
ArrayList-toArray()
public Object[] toArray() {
return Arrays.copyOf(elementData, size);
}
LinkedList-toArray()
public Object[] toArray() {
Object[] result = new Object[size];
int i = 0;
for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next)
result[i++] = x.item;
return result;
}
很清楚的实现，对于ArrayList，本身即是一个数组，因此只需要把内容复制一份即可（可以看到，列表其实也是数组）。而对于LinkedList就稍微有点麻烦了，他需要创建一个对象数组，把列表里的每一个结点的值取出来。
ArrayList VS Vector
说完了ArrayList和LinkedList，这里再简单的说一下Vector。
- Vector和ArrayList一样，也是一个动态数组。唯一不同的是Vector是线程安全的，这点从他的源码可以看到，所有的数组操作方法都加了关键字synchronized。因此，当多线程同时操作一个List时，可以考虑使用Vector代替ArrayList。
- 前面说了，ArrayList每次扩容，会增加原来50%的容量，Vector则是直接增加一倍。
private void grow(int minCapacity) {
// overflow-conscious code
int oldCapacity = elementData.length;
int newCapacity = oldCapacity + ((capacityIncrement > 0) ?
capacityIncrement : oldCapacity);
if (newCapacity - minCapacity < 0)
newCapacity = minCapacity;
if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
}
好了，通过以上对ArrayList和LinkedList的分析，对比；相信大家对线性表的线性存储和链式存储有了更深入的认识。
不成熟的小实验
最后，通过一个不成熟的小实验，ArrayList，Vector，LinkedList PK 一下！！
public class DataStructTest {
private static final int DATA_SIZE = 10 * 10 * 10 * 10 * 10 * 10 * 10;
public static void main(String[] args) {
ArrayListTest();
VectorTest();
LinkedListTest();
}
private static void ArrayListTest() {
long start = System.nanoTime();
List<String> datas = new ArrayList<>();
for (int i = 0; i < DATA_SIZE; i++) {
datas.add("item-" + i);
}
long end = System.nanoTime();
System.err.printf("ArrayList Add %d element in %d nanoseconds\n", DATA_SIZE, (end - start));
start = System.nanoTime();
String data = datas.get(DATA_SIZE / 2);
end = System.nanoTime();
System.err.printf("Get data %s from ArrayList at pos=%d in %d nanoseconds\n", data, DATA_SIZE / 2, end - start);
}
private static void VectorTest() {
long start = System.nanoTime();
List<String> datas = new Vector<>();
for (int i = 0; i < DATA_SIZE; i++) {
datas.add("item-" + i);
}
long end = System.nanoTime();
System.err.printf("Vector Add %d element in %d nanoseconds\n", DATA_SIZE, end - start);
start = System.nanoTime();
String data = datas.get(DATA_SIZE / 2);
end = System.nanoTime();
System.err.printf("Get data %s from Vector at pos=%d in %d nanoseconds\n", data, DATA_SIZE / 2, end - start);
}
private static void LinkedListTest() {
long start = System.nanoTime();
List<String> datas = new LinkedList<>();
for (int i = 0; i < DATA_SIZE; i++) {
datas.add("item-" + i);
}
long end = System.nanoTime();
System.err.printf("LinkedList Add %d element in %d nanoseconds\n", DATA_SIZE, end - start);
start = System.nanoTime();
String data = datas.get(DATA_SIZE / 2);
end = System.nanoTime();
System.err.printf("Get data %s from LinkedList at pos=%d in %d nanoseconds\n", data, DATA_SIZE / 2, end - start);
}
}
上面的代码，使用三种结构实现添加DATA_SIZE个数据到List中，最后从第DATA_SIZE/2个位置返回元素。当然这样对LinkedList来说是不太公平的。总之，这是一个不成熟的小实验。看一下返回结果吧！
ArrayList Add 10000000 element in 7491830924 nanoseconds
Get data item-5000000 from ArrayList at pos=5000000 in 7106 nanoseconds
Vector Add 10000000 element in 3810582375 nanoseconds
Get data item-5000000 from Vector at pos=5000000 in 3948 nanoseconds
LinkedList Add 10000000 element in 3475231051 nanoseconds
Get data item-5000000 from LinkedList at pos=5000000 in 73783797 nanoseconds
这是运行结果，当然每次运行的结果都是不一样的，但是总的趋平均计算的话每次都是相同的。
ArrayList 和 Vector 这样的线性存储结构中，查找某个特定位置的元素是，速度比LinkedList快了差不多一万倍，而添加操作时，LinkedList总的来说，会快一些。
好了，从数据结构的角度说ArrayList和LinkedList就到这里了。
如果本文中有不正确的结论、说法，请大家提出和我讨论，共同进步，谢谢。
