Java集合类之ArrayList与LinkedList源码学习笔记

Java集合类主要分为List,Set,Map三大类。ArrayList和LinkedList是则List接口的俩个实现。他们都可以作为顺序存放元素的容器，并且元素可以重复，可以为null值。当有元素重复时，如果按元素而非索引进行一些操作时，则会对List中的第一个符合条件的元素进行操作，如remove(E o)会删除第一个元素。此外,ArrayList与LinkedList并非线程安全的容器，因此在多线程环境下，需要用Collections.synchronizedList()方法来进行包装或者使用其他线程安全的容器。

尽管ArrayList和LinkedList都是一个List，但他们底层实现机制并不同，ArrayList基于数组，因此具有随机访问的特点，LinkedList则基于链表，因此在删除和插入元素时，仅仅可以通过移动指针来实现而无需像数组一样移动元素。

其次要注意当我们用ArrayList和LinkedList存放我们自定义对象的时候，要考虑是否需要实现equals方法，因为在ArrayList和LinkedList中的某些方法依赖于其元素的equals方法，如contains方法。如果我们自定义User对象未覆盖Object类默认的equals方法，那么下面这段代码会返回fasle而非true。

ArrayList<User> list = new ArrayList<>();
list.add(new User("andy",21));
User user = new User("andy",21);
System.out.print(list.contains(user));

本文中所有类继承结构以及源码均基于JDK1.8。

ArrayList

类继承关系

ArrayList.png

其中RandomAccess和Cloneable接口一样.本身没有内容，仅仅是一个标记接口，表示ArrayList可以随机访问

源码学习

1.ArrayList动态扩容机制

ArrayList是基于数组的，因此当添加元素的时候，如果数组容量不够，则会进行自动扩容。

/**
 * Default initial capacity.
 */
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
/**
 * Shared empty array instance used for empty instances.
 */
private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};
/**
  * Shared empty array instance used for default sized empty instances. We
  * distinguish this from EMPTY_ELEMENTDATA to know how much to inflate when
  * first element is added.
*/
private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};

要想成功添加，至少需要确保数组具有当前size+1的容量

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

如果elementData(即ArrayList的容器数组)为空,那么calculateCapacity这个方法会返回DEFAULT_CAPACITY即10和minCapacity中的最大值。因此，如果初始的时候我们不指定ArrayList的容量，则当我们添加第一个元素的时候，ArrayList会自动扩容到10。

private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
    ensureExplicitCapacity(calculateCapacity(elementData, minCapacity));
}
private static int calculateCapacity(Object[] elementData, int minCapacity) {
    if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
        return Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
    }
    return minCapacity;
}
// 判断是否需要扩容，如果数组长度小于添加当前元素所需要的最小容量，则扩容，跳到grow方法
private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
    modCount++;
    // overflow-conscious code
    if (minCapacity - elementData.length > 0)
        grow(minCapacity);
}

每次扩容为原来的1.5倍，但第一次扩容会直接扩容到10。

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);
}

指定初始容量与不指定初始容量的ArrayList添加元素性能对比(单位ms)

// 测试环境虚拟机ubuntu16.04 jdk1.8 12g内存 8处理器
public static void noInitCapacity(){
    long startTime = System.currentTimeMillis();
    ArrayList<String> list = new ArrayList();
    for (int i =0;i<10000;i++){
        list.add(""+i);
    }
    long endTime = System.currentTimeMillis();
    System.out.println(endTime-startTime);
}
public static void initCapacity(){
    long startTime = System.currentTimeMillis();
    ArrayList<String> list = new ArrayList(100000);
    for (int i =0;i<10000;i++){
            list.add(""+i);
    }
    long endTime = System.currentTimeMillis();
    System.out.println(endTime-startTime);
}
次数 1000 10000 100000 1000000
1 2 vs 0 7 vs 5 39 vs 15 120 vs 58
2 2 vs 1 6 vs 4 38 vs 27 120 vs 74
3 2 vs 2 7 vs 4 32 vs 25 116 vs 66

经过测试，发现在1000数量级的时候，二者差异并不明显，但是当元素量级达到10000以上，指定初始容量的ArrayList添加元素的性能平均比未指定初始容量时要高1.5-2倍，因此在使用ArrayList的时候，最好给予一个大致的容量，避免ArrayList进行扩容

2.为什么ArrayList插入和删除效率较低

因为在ArrayList源码中,插入和删除中都用到了

System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,numMoved);

所以每次进行插入和删除，都会进行大量数组拷贝，与LinkedList的具体效率对比放在最后LinkedList部分。

LinkedList

类继承关系

LinkedList.png

LinkedList除了实现List接口，还实现了Deque接口，而Deque接口允许从头部和尾部进行增加和删除元素，因此也可以直接可以把LinkedList当作队列或栈来使用。

源码学习

1. LinkedList是单链表还是双链表？

通过阅读它的链表节点内部类，可以知道LinkedList是一个双链表，即可以从前到后遍历，也可以从后到前遍历。

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;
    }
 }

2. LinkedList如何找到指定位置的节点？

因为LinkedList是双向链表，既可以从后遍历，也可以从前遍历，因此可以先拿index与size的一半比较，判断从哪端遍历会更快。

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;
      }

ArrayList与LinkedList查找、插入和删除性能对比

public static List getArrayList(int length){
    ArrayList<String> list = new ArrayList<>(length);
    for (int i =0;i<length;i++){
        list.add(""+i);
    }
    return list;
}
public static List getLinkedList(int length){
    LinkedList<String> list = new LinkedList<>();
    for (int i =0;i<length;i++){
        list.add(""+i);
    }
    return list;
}

测试随机访问的性能

public static void testGet(int index){
    List<String> list1 = getArrayList(1000000);
    long startTime = System.currentTimeMillis();
    list1.get(index);
    long endTime = System.currentTimeMillis();
    System.out.println(endTime-startTime);
    List<String> list2 = getLinkedList(1000000);
    long startTime2 = System.currentTimeMillis();
    list2.get(index);
    long endTime2 = System.currentTimeMillis();
    System.out.println(endTime2-startTime2);
}

100万元素中分别取索引位置5000、10万、50万、80万位置的元素，对比ArrayList vs LinkedList

次数 5000 100000 500000 800000
1 1 vs 0 0 vs 1 0 vs 7 0 vs 5
2 0 vs 0 0 vs 2 0 vs 11 0 vs 4
3 0 vs 0 0 vs 4 0 vs 7 1 vs 4

可以发现ArrayList基本都是0ms,但是LinkedList则与index有关,index越靠近中间，时间越长，index越靠向俩边，时间越短，这也是符合LinkedList根据index与size的比较来优化遍历的。
因此更新操作ArrayList性能也是要由于LinkedList的，因为ArrayList可根据索引直接找到需要修改的元素，而LinkedList则需要遍历。
测试随机删除的性能

// 随机产生n个0-100万之间不重复的数
public static Integer[] generateRandomIntArr(int n){
    HashSet<Integer> sets = new HashSet<>();
    Integer[] res = new Integer[n];
    Random rand = new Random();
    while (sets.size() < n){
        sets.add(rand.nextInt(1000000)+1);
    }
    return sets.toArray(res);
}
public static void testDelete(int n){
    Integer[] indexs = generateRandomIntArr(n);
    List<String> list1 = getArrayList(1000000);
    long startTime = System.currentTimeMillis();
    for (int i =0;i<indexs.length;i++){
        list1.remove(indexs[i]);
        // list1.remove(i) 头部连续删除
    }
    long endTime = System.currentTimeMillis();
    System.out.println(endTime-startTime);

    List<String> list2 = getLinkedList(1000000);
    long startTime2 = System.currentTimeMillis();
    for (int i =0;i<indexs.length;i++){
        list2.remove(indexs[i]);
        // list2.remove(i) 头部连续删除
    }
    long endTime2 = System.currentTimeMillis();
    System.out.println(endTime2-startTime2);
}

100万数据中随机删除10,100,1000个元素 ArrayList vs LinkedList 单位ms

次数 100 1000 1000
1 96 vs 161 830 vs 1525 7489 vs 16896
2 139 vs 249 841 vs 1723 8653 vs 16490
3 99 vs 159 847 vs 1510 7439 vs 13232

实验结论似乎与我们所认为的LinkedLists删除性能要高于ArrayList是相反的，但是如果将随机删除改为头部连续删除，结果则符合我们的预期,LinkedList效率远远高于ArrayList。

次数 100 1000 1000
1 10 vs 0 105 vs 1 905 vs 3
2 12 vs 0 102 vs 0 992 vs 4
3 5 vs 0 97 vs 0 938 vs 5

如果改为尾部连续删除，二者并无明显差异。

测试随机插入的性能
测试代码略，实验情况与删除类似。

随机删除和插入，虽然链表只需要移动指针不需要拷贝元素，但要找到正确的删除或插入位置仍然需要遍历链表，因此性能反而不如ArrayList。而头部删除和插入，因为本身first和last指针的存在，LinkedList只需要移动指针即可，而ArrayList则需要拷贝全部的元素。

结论

  • ArrayList默认容量为10，扩容机制为原来容量的1.5倍
  • 尽可能给ArrayList一个初始容量，避免其进行扩容
  • 如果查找，更新操作很多，优先选择ArrayList
  • 如果是头尾删除，插入操作较多，优先选择LinkedList
  • 如果是随机删除，插入操作较多，优先选择ArrayList
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