Java 集合系列08之 List总结(LinkedList, ArrayList等使用场景和性能分析)
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篇首语:本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理,主要介绍了Java 集合系列08之 List总结(LinkedList, ArrayList等使用场景和性能分析)相关的知识,希望对你有一定的参考价值。
前面,我们学完了List的全部内容(ArrayList, LinkedList, Vector, Stack)。
Java 集合系列03之 ArrayList详细介绍(源码解析)和使用示例
Java 集合系列04之 fail-fast总结(通过ArrayList来说明fail-fast的原理、解决办法)
Java 集合系列05之 LinkedList详细介绍(源码解析)和使用示例
Java 集合系列06之 Vector详细介绍(源码解析)和使用示例
Java 集合系列07之 Stack详细介绍(源码解析)和使用示例
现在,我们再回头看看总结一下List。内容包括:
第1部分 List概括
第2部分 List使用场景
第3部分 LinkedList和ArrayList性能差异分析
第4部分 Vector和ArrayList比较
转载请注明出处:http://www.cnblogs.com/skywang12345/p/3308900.html
第1部分 List概括
先回顾一下List的框架图
(01) List 是一个接口,它继承于Collection的接口。它代表着有序的队列。
(02) AbstractList 是一个抽象类,它继承于AbstractCollection。AbstractList实现List接口中除size()、get(int location)之外的函数。
(03) AbstractSequentialList 是一个抽象类,它继承于AbstractList。AbstractSequentialList 实现了“链表中,根据index索引值操作链表的全部函数”。
(04) ArrayList, LinkedList, Vector, Stack是List的4个实现类。
ArrayList 是一个数组队列,相当于动态数组。它由数组实现,随机访问效率高,随机插入、随机删除效率低。
LinkedList 是一个双向链表。它也可以被当作堆栈、队列或双端队列进行操作。LinkedList随机访问效率低,但随机插入、随机删除效率低。
Vector 是矢量队列,和ArrayList一样,它也是一个动态数组,由数组实现。但是ArrayList是非线程安全的,而Vector是线程安全的。
Stack 是栈,它继承于Vector。它的特性是:先进后出(FILO, First In Last Out)。
第2部分 List使用场景
学东西的最终目的是为了能够理解、使用它。下面先概括的说明一下各个List的使用场景,后面再分析原因。
如果涉及到“栈”、“队列”、“链表”等操作,应该考虑用List,具体的选择哪个List,根据下面的标准来取舍。
(01) 对于需要快速插入,删除元素,应该使用LinkedList。
(02) 对于需要快速随机访问元素,应该使用ArrayList。
(03) 对于“单线程环境” 或者 “多线程环境,但List仅仅只会被单个线程操作”,此时应该使用非同步的类(如ArrayList)。
对于“多线程环境,且List可能同时被多个线程操作”,此时,应该使用同步的类(如Vector)。
通过下面的测试程序,我们来验证上面的(01)和(02)结论。参考代码如下:
import java.util.*; import java.lang.Class; /* * @desc 对比ArrayList和LinkedList的插入、随机读取效率、删除的效率 * * @author skywang */ public class ListCompareTest { private static final int COUNT = 100000; private static LinkedList linkedList = new LinkedList(); private static ArrayList arrayList = new ArrayList(); private static Vector vector = new Vector(); private static Stack stack = new Stack(); public static void main(String[] args) { // 换行符 System.out.println(); // 插入 insertByPosition(stack) ; insertByPosition(vector) ; insertByPosition(linkedList) ; insertByPosition(arrayList) ; // 换行符 System.out.println(); // 随机读取 readByPosition(stack); readByPosition(vector); readByPosition(linkedList); readByPosition(arrayList); // 换行符 System.out.println(); // 删除 deleteByPosition(stack); deleteByPosition(vector); deleteByPosition(linkedList); deleteByPosition(arrayList); } // 获取list的名称 private static String getListName(List list) { if (list instanceof LinkedList) { return "LinkedList"; } else if (list instanceof ArrayList) { return "ArrayList"; } else if (list instanceof Stack) { return "Stack"; } else if (list instanceof Vector) { return "Vector"; } else { return "List"; } } // 向list的指定位置插入COUNT个元素,并统计时间 private static void insertByPosition(List list) { long startTime = System.currentTimeMillis(); // 向list的位置0插入COUNT个数 for (int i=0; i<COUNT; i++) list.add(0, i); long endTime = System.currentTimeMillis(); long interval = endTime - startTime; System.out.println(getListName(list) + " : insert "+COUNT+" elements into the 1st position use time:" + interval+" ms"); } // 从list的指定位置删除COUNT个元素,并统计时间 private static void deleteByPosition(List list) { long startTime = System.currentTimeMillis(); // 删除list第一个位置元素 for (int i=0; i<COUNT; i++) list.remove(0); long endTime = System.currentTimeMillis(); long interval = endTime - startTime; System.out.println(getListName(list) + " : delete "+COUNT+" elements from the 1st position use time:" + interval+" ms"); } // 根据position,不断从list中读取元素,并统计时间 private static void readByPosition(List list) { long startTime = System.currentTimeMillis(); // 读取list元素 for (int i=0; i<COUNT; i++) list.get(i); long endTime = System.currentTimeMillis(); long interval = endTime - startTime; System.out.println(getListName(list) + " : read "+COUNT+" elements by position use time:" + interval+" ms"); } }
运行结果如下:
Stack : insert 100000 elements into the 1st position use time:1640 ms Vector : insert 100000 elements into the 1st position use time:1607 ms LinkedList : insert 100000 elements into the 1st position use time:29 ms ArrayList : insert 100000 elements into the 1st position use time:1617 ms Stack : read 100000 elements by position use time:9 ms Vector : read 100000 elements by position use time:6 ms LinkedList : read 100000 elements by position use time:10809 ms ArrayList : read 100000 elements by position use time:5 ms Stack : delete 100000 elements from the 1st position use time:1916 ms Vector : delete 100000 elements from the 1st position use time:1910 ms LinkedList : delete 100000 elements from the 1st position use time:15 ms ArrayList : delete 100000 elements from the 1st position use time:1909 ms
从中,我们可以发现:
插入10万个元素,LinkedList所花时间最短:29ms。
删除10万个元素,LinkedList所花时间最短:15ms。
遍历10万个元素,LinkedList所花时间最长:10809 ms;而ArrayList、Stack和Vector则相差不多,都只用了几秒。
考虑到Vector是支持同步的,而Stack又是继承于Vector的;因此,得出结论:
(01) 对于需要快速插入,删除元素,应该使用LinkedList。
(02) 对于需要快速随机访问元素,应该使用ArrayList。
(03) 对于“单线程环境” 或者 “多线程环境,但List仅仅只会被单个线程操作”,此时应该使用非同步的类。
第3部分 LinkedList和ArrayList性能差异分析
下面我们看看为什么LinkedList中插入元素很快,而ArrayList中插入元素很慢!
LinkedList.java中向指定位置插入元素的代码如下:
// 在index前添加节点,且节点的值为element public void add(int index, E element) { addBefore(element, (index==size ? header : entry(index))); } // 获取双向链表中指定位置的节点 private Entry<E> entry(int index) { if (index < 0 || index >= size) throw new IndexOutOfBoundsException("Index: "+index+ ", Size: "+size); Entry<E> e = header; // 获取index处的节点。 // 若index < 双向链表长度的1/2,则从前向后查找; // 否则,从后向前查找。 if (index < (size >> 1)) { for (int i = 0; i <= index; i++) e = e.next; } else { for (int i = size; i > index; i--) e = e.previous; } return e; } // 将节点(节点数据是e)添加到entry节点之前。 private Entry<E> addBefore(E e, Entry<E> entry) { // 新建节点newEntry,将newEntry插入到节点e之前;并且设置newEntry的数据是e Entry<E> newEntry = new Entry<E>(e, entry, entry.previous); // 插入newEntry到链表中 newEntry.previous.next = newEntry; newEntry.next.previous = newEntry; size++; modCount++; return newEntry; }
从中,我们可以看出:通过add(int index, E element)向LinkedList插入元素时。先是在双向链表中找到要插入节点的位置index;找到之后,再插入一个新节点。
双向链表查找index位置的节点时,有一个加速动作:若index < 双向链表长度的1/2,则从前向后查找; 否则,从后向前查找。
接着,我们看看ArrayList.java中向指定位置插入元素的代码。如下:
// 将e添加到ArrayList的指定位置 public void add(int index, E element) { if (index > size || index < 0) throw new IndexOutOfBoundsException( "Index: "+index+", Size: "+size); ensureCapacity(size+1); // Increments modCount!! System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1, size - index); elementData[index] = element; size++; }
ensureCapacity(size+1) 的作用是“确认ArrayList的容量,若容量不够,则增加容量。”
真正耗时的操作是 System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1, size - index);
Sun JDK包的java/lang/System.java中的arraycopy()声明如下:
public static native void arraycopy(Object src, int srcPos, Object dest, int destPos, int length);
arraycopy()是个JNI函数,它是在JVM中实现的。sunJDK中看不到源码,不过可以在OpenJDK包中看到的源码。网上有对arraycopy()的分析说明,请参考:System.arraycopy源码分析
实际上,我们只需要了解: System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1, size - index); 会移动index之后所有元素即可。这就意味着,ArrayList的add(int index, E element)函数,会引起index之后所有元素的改变!
通过上面的分析,我们就能理解为什么LinkedList中插入元素很快,而ArrayList中插入元素很慢。
“删除元素”与“插入元素”的原理类似,这里就不再过多说明。
接下来,我们看看 “为什么LinkedList中随机访问很慢,而ArrayList中随机访问很快”。
先看看LinkedList随机访问的代码
// 返回LinkedList指定位置的元素 public E get(int index) { return entry(index).element; } // 获取双向链表中指定位置的节点 private Entry<E> entry(int index) { if (index < 0 || index >= size) throw new IndexOutOfBoundsException("Index: "+index+ ", Size: "+size); Entry<E> e = header; // 获取index处的节点。 // 若index < 双向链表长度的1/2,则从前先后查找; // 否则,从后向前查找。 if (index < (size >> 1)) { for (int i = 0; i <= index; i++) e = e.next; } else { for (int i = size; i > index; i--) e = e.previous; } return e; }
从中,我们可以看出:通过get(int index)获取LinkedList第index个元素时。先是在双向链表中找到要index位置的元素;找到之后再返回。
双向链表查找index位置的节点时,有一个加速动作:若index < 双向链表长度的1/2,则从前向后查找; 否则,从后向前查找。
下面看看ArrayList随机访问的代码
// 获取index位置的元素值 public E get(int index) { RangeCheck(index); return (E) elementData[index]; } private void RangeCheck(int index) { if (index >= size) throw new IndexOutOfBoundsException( "Index: "+index+", Size: "+size);
从中,我们可以看出:通过get(int index)获取ArrayList第index个元素时。直接返回数组中index位置的元素,而不需要像LinkedList一样进行查找。
第4部分 Vector和ArrayList比较
相同之处
1 它们都是List
它们都继承于AbstractList,并且实现List接口。
ArrayList和Vector的类定义如下:
// ArrayList的定义 public class ArrayList<E> extends AbstractList<E> implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable // Vector的定义 public class Vector<E> extends AbstractList<E> implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable {}
2 它们都实现了RandomAccess和Cloneable接口
实现RandomAccess接口,意味着它们都支持快速随机访问;
实现Cloneable接口,意味着它们能克隆自己。
3 它们都是通过数组实现的,本质上都是动态数组
ArrayList.java中定义数组elementData用于保存元素
// 保存ArrayList中数据的数组 private transient Object[] elementData;
Vector.java中也定义了数组elementData用于保存元素
// 保存Vector中数据的数组 protected Object[] elementData;
4 它们的默认数组容量是10
若创建ArrayList或Vector时,没指定容量大小;则使用默认容量大小10。
ArrayList的默认构造函数如下:
// ArrayList构造函数。默认容量是10。 public ArrayList() { this(10); }
Vector的默认构造函数如下:
// Vector构造函数。默认容量是10。 public Vector() { this(10); }
5 它们都支持Iterator和listIterator遍历
它们都继承于AbstractList,而AbstractList中分别实现了 “iterator()接口返回Iterator迭代器” 和 “listIterator()返回ListIterator迭代器”。
不同之处
1 线程安全性不一样
ArrayList是非线程安全;
而Vector是线程安全的,它的函数都是synchronized的,即都是支持同步的。
ArrayList适用于单线程,Vector适用于多线程。
2 对序列化支持不同
ArrayList支持序列化,而Vector不支持;即ArrayList有实现java.io.Serializable接口,而Vector没有实现该接口。
3 构造函数个数不同
ArrayList有3个构造函数,而Vector有4个构造函数。Vector除了包括和ArrayList类似的3个构造函数之外,另外的一个构造函数可以指定容量增加系数。
ArrayList的构造函数如下:
// 默认构造函数 ArrayList() // capacity是ArrayList的默认容量大小。当由于增加数据导致容量不足时,容量会添加上一次容量大小的一半。 ArrayList(int capacity) // 创建一个包含collection的ArrayList ArrayList(Collection<? extends E> collection)
Vector的构造函数如下:
// 默认构造函数 Vector() // capacity是Vector的默认容量大小。当由于增加数据导致容量增加时,每次容量会增加一倍。 Vector(int capacity) // 创建一个包含collection的Vector Vector(Collection<? extends E> collection) // capacity是Vector的默认容量大小,capacityIncrement是每次Vector容量增加时的增量值。 Vector(int capacity, int capacityIncrement)
4 容量增加方式不同
逐个添加元素时,若ArrayList容量不足时,“新的容量”=“(原始容量x3)/2 + 1”。
而Vector的容量增长与“增长系数有关”,若指定了“增长系数”,且“增长系数有效(即,大于0)”;那么,每次容量不足时,“新的容量”=“原始容量+增长系数”。若增长系数无效(即,小于/等于0),则“新的容量”=“原始容量 x 2”。
ArrayList中容量增长的主要函数如下:
public void ensureCapacity(int minCapacity) { // 将“修改统计数”+1 modCount++; int oldCapacity = elementData.length; // 若当前容量不足以容纳当前的元素个数,设置 新的容量=“(原始容量x3)/2 + 1” if (minCapacity > oldCapacity) { Object oldData[] = elementData; int newCapacity = (oldCapacity * 3)/2 + 1; if (newCapacity < minCapacity) newCapacity = minCapacity; elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity); } }
Vector中容量增长的主要函数如下:
private void ensureCapacityHelper(int minCapacity) { int oldCapacity = elementData.length; // 当Vector的容量不足以容纳当前的全部元素,增加容量大小。 // 若 容量增量系数>0(即capacityIncrement>0),则将容量增大当capacityIncrement // 否则,将容量增大一倍。 if (minCapacity > oldCapacity) { Object[] oldData = elementData; int newCapacity = (capacityIncrement > 0) ? (oldCapacity + capacityIncrement) : (oldCapacity * 2); if (newCapacity < minCapacity) { newCapacity = minCapacity; } elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity); } }
5 对Enumeration的支持不同。Vector支持通过Enumeration去遍历,而List不支持
Vector中实现Enumeration的代码如下:
public Enumeration<E> elements() { // 通过匿名类实现Enumeration return new Enumeration<E>() { int count = 0; // 是否存在下一个元素 public boolean hasMoreElements() { return count < elementCount; } // 获取下一个元素 public E nextElement() { synchronized (Vector.this) { if (count < elementCount) { return (E)elementData[count++]; } } throw new NoSuchElementException("Vector Enumeration"); } }; }
以上是关于Java 集合系列08之 List总结(LinkedList, ArrayList等使用场景和性能分析)的主要内容,如果未能解决你的问题,请参考以下文章