java集合的实现细节--ArrayList和LinkedList

Posted 2020-09-22 寻的足迹

　 ArrayList和LinkedList的实现差异 

　　List代表一种线性表的数据结构，ArrayList则是一种顺序存储的线性表，ArrayList底层采用动态数组的形式保存每一个集合元素，LinkedList则是一种链式存储的线性表，其本质上就是一个双向链表，它不仅实现了List接口，还实现了Deque接口，Deque代表了一种双端队列，既具有队列（FIFO）的特性，也具有栈（FILO）的特性，也就是说，LinkedList既可以当成双向链表使用，也可以当成队列使用，还可以当成栈来使用。

public class LinkedList<E>
extends AbstractSequentialList<E>
implements List<E>, Deque<E>, Cloneable, java.io.Serializable

　　ArrayList底层采用一个elementData数组来保存所有集合元素，因此ArrayList在插入元素时需要完成两件事情：

　　①、保存ArrayList底层封装的数组长度大于集合元素的个数

　　②、将插入位置之后的所有数组元素“整体搬家”，向后移动一“格”

　　当删除ArrayList集合中指定位置的元素时，程序也要进行“整体搬家”，而且还需要将被删除索引处的数组元素赋值为null，下面是ArrayList集合的remove（int index）方法的源代码。

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;
    }

　　对于ArrayList集合而言，当程序向ArrayList中添加、删除集合元素时，ArrayList底层都是需要对数组进行“整体搬家”，因此性能很差。

　　但如果程序调用get（int index）方法取出ArrayList集合中的元素时，性能和数组几乎相同，效率非常快。下面是ArrayList集合的get（int index）方法的源代码。

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

　　LinkedList本质上是一个双向链表，因此它使用内部类来保存每一个集合元素。

 private static class Node<E> {
　　　　　//集合元素
        E item;
　　　　　//保存指向下一个链表节点的引用
        Node<E> next;
　　　　　//保存指向上一个链表节点的引用
        Node<E> prev;
　　　　　//普通构造器
        Node(Node<E> prev, E element, Node<E> next) {
            this.item = element;
            this.next = next;
            this.prev = prev;
        }
    }

　　从上面程序中的粗体字代码可以看出，一个Node对象代表双向链表的一个节点，该对象中的next变量指向下一个节点，previous子指向上一个节点。

　　由于LinkedList采用双向链表来保存集合元素，因此它在添加集合元素时，只要对链表进行插入即可。下面是LinkedList添加节点的源码。

     public void add(int index, E element) {
        checkPositionIndex(index);

        if (index == size)
            linkLast(element);
        else
            linkBefore(element, node(index));
    }

　　从上面代码看出，由于Linked本质上就是一个双向链表，因此它非常方便的在指定节点之前插入新节点。

　　上面add（int index，E element）方法实现中用到了以下三个方法。

　　①、node（int index）：搜索指定索引出的元素

　　②、linkLast（E e）：将e新节点插入到最后

　　③、linkBefore（E e，Node<E> succ）：在succ节点之前插入e新节点

　　node（int index）实际上就是get（int index）方法的底层实现。Linked必须逐个元素的搜索，直到找到第index个元素为止。node（int index）采用二分法的方式进行查找，以下是该方法的源代码。

   Node<E> node(int index) {
        // assert isElementIndex(index);
　　　　 //如果index小于size/2
        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;
        }
    }

　　上面的node（int index）方法就是逐个元素的找到index索引处的元素，只是由于LinkedList是一个双向链表，因此程序先根据index的值判断它离链表头近还是离链表尾近，如果离链表头近则从头端开始搜索，如果离链表尾近则从尾端开始搜素。

　　Linked的get（int index）方法只是对上面node（int index）方法的简单包装。get（int index）方法的源代码如下。

    public E get(int index) {
        checkElementIndex(index);
        return node(index).item;
    }

　　但单纯的插入操作就比较简单了，只要修改几个节点里面的previous、next引用的值即可。下面是linkedbefore（E e, Node<E> succ）方法的源代码。

   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++;
    }

　　如果只是单纯的添加某个节点，那么LinkedList的性能是非常好的，但如果需要向某个指定索引处添加节点，LinkedList必须先找到指定索引处的节点，这个搜索过程的系统开销并不小，因此LinkedList的add（int index，E e）方法的性能并不是特别好。如果只使用LinkedList的addFrist（E e）、addLast（E e）、offerFrist（E e）、offerLast（E e）、pollFrist（E e）、pollLast（E e）的话，性能是非常好的，因为可以避免搜索过程。

　　类似的，LinkedList为了实现remove（int index）方法，也必须先通过node（int index）方法找到index索引处的节点，然后修改它前一个节点的next引用，以及后一个节点的previous引用，下面是该方法的源代码。

    public E remove(int index) {
        checkElementIndex(index);
        return unlink(node(index));
    }

    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;
    }

 　　综上所述，ArrayList、LinkedList有各自适用的场景，大部分情况下，ArrayList的性能总是优于Linkedlist，因此绝大部分都应该考虑使用ArrayList集合。但如果程序荆楚需要添加、删除元素，尤其是经常需要add（E e）方法向集合中添加元素，则应该考虑使用LinkedList集合了。