上次被 ArrayList 锤了一拳后，LinkedList 很不服气，做出最后一击

Posted 2021-11-09 沉默王二

这是《Java 程序员进阶之路》专栏的第 61 篇，我们来继续探讨 ArrayList 和 LinkedList，这一篇比上一篇更深入、更全面，源码讲解、性能考量，方方面面都有涉及到了。

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01、ArrayList 是如何实现的？

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;
}

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。

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”。序列化是什么意思呢？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。

眼睛雪亮的小伙伴可能会注意到，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。

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，就是说，数组一旦声明了，长度（容量）就是固定的，不能像某些东西一样伸缩自如。这就很麻烦，数组一旦装满了，就不能添加新的元素进来了。

ArrayList 不想像数组这样活着，它想能屈能伸，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)];
    }
}

动态扩容意味着什么？大家伙想一下。嗯，还是我来告诉大家答案吧，有点迫不及待。

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！不是为我，为 Java 源码的作者们，他们真的是太厉害了，可以用两个词来形容他们——殚精竭虑、精益求精。

02、LinkedList 是如何实现的？

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);
}

发现没？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，对吧？

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。很妙，对吧？

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。

03、ArrayList 和 LinkedList 新增元素时究竟谁快？

前面我们已经从多个维度了解了 ArrayList 和 LinkedList 的实现原理和各自的特点。那接下来，我们就来聊聊 ArrayList 和 LinkedList 在新增元素时究竟谁快？

1）ArrayList

ArrayList 新增元素有两种情况，一种是直接将元素添加到数组末尾，一种是将元素插入到指定位置。

添加到数组末尾的源码：

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;
}

很简单，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。

插入到指定位置的源码：

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;
}

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。

2）LinkedList

LinkedList 新增元素也有两种情况，一种是直接将元素添加到队尾，一种是将元素插入到指定位置。

添加到队尾的源码：

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++;
}

先将队尾的节点 last 存放到临时变量 l 中（不是说不建议使用 I 作为变量名吗？Java 的作者们明知故犯啊），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。

插入到指定位置的源码：

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++;
}

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。

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。如果插入的位置靠前前半段，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。

经过源码分析以后，小伙伴们是不是在想：“好像 ArrayList 在新增元素的时候效率并不一定比 LinkedList 低啊！”

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 多，因为需要对头部以后的元素进行复制。

public class ArrayListTest {
    public static void addFromHeaderTest(int num) {
        ArrayList<String> list = new ArrayList<String>(num);
        int i = 0;

        long timeStart = System.currentTimeMillis();

        while (i < num) {
            list.add(0, i + "沉默王二");
            i++;
        }
        long timeEnd = System.currentTimeMillis();

        System.out.println("ArrayList从集合头部位置新增元素花费的时间" + (timeEnd - timeStart));
    }
}

/**
 * @author 微信搜「沉默王二」，回复关键字 PDF
 */
public class LinkedListTest {
    public static void addFromHeaderTest(int num) {
        LinkedList<String> list = new LinkedList<String>();
        int i = 0;
        long timeStart = System.currentTimeMillis();
        while (i < num) {
            list.addFirst(i + "沉默王二");
            i++;
        }
        long timeEnd = System.currentTimeMillis();

        System.out.println("LinkedList从集合头部位置新增元素花费的时间" + (timeEnd - timeStart));
    }
}

num 为 10000，代码实测后的时间如下所示：

ArrayList从集合头部位置新增元素花费的时间595
LinkedList从集合头部位置新增元素花费的时间15

ArrayList 花费的时间比 LinkedList 要多很多。

• 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，因为 LinkedList 需要遍历。

public class ArrayListTest {
    public static void addFromMidTest(int num) {
        ArrayList<String> list = new ArrayList<String>(num);
        int i = 0;

        long timeStart = System.currentTimeMillis();
        while (i < num) {
            int temp = list.size();
            list.add(temp / 2 + "沉默王二");
            i++;
        }
        long timeEnd = System.currentTimeMillis();

        System.out.println("ArrayList从集合中间位置新增元素花费的时间" + (timeEnd - timeStart));
    }
}

public class LinkedListTest {
    public static void addFromMidTest(int num) {
        LinkedList<String> list = new LinkedList<String>();
        int i = 0;
        long timeStart = System.currentTimeMillis();
        while以上是关于上次被 ArrayList 锤了一拳后，LinkedList 很不服气，做出最后一击的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章
 
 LinkedList   集合类
 何时在 ArrayList 或 LinkedList 上使用 GlueList？ [复制]
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