ArrayList和LinkedList的区别

Posted 2020-09-23 stackOverFlow

　　ArrayList和Vector使用了数组的实现，可以认为ArrayList或者Vector封装了对内部数组的操作，比如向数组中添加，删除，插入新的元素或者数据的扩展和重定向。

　　LinkedList使用了循环双向链表数据结构。与基于数组ArrayList相比，这是两种截然不同的实现技术，这也决定了它们将适用于完全不同的工作场景。

　　LinkedList链表由一系列表项连接而成。一个表项总是包含3个部分：元素内容，前驱表和后驱表，如图所示：

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

　　在下图展示了一个包含3个元素的LinkedList的各个表项间的连接关系。在JDK的实现中，无论LikedList是否为空，链表内部都有一个header表项，它既表示链表的开始，也表示链表的结尾。表项header的后驱表项便是链表中第一个元素，表项header的前驱表项便是链表中最后一个元素。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 

　　下面以增加和删除元素为例比较ArrayList和LinkedList的不同之处：

　　（1）增加元素到列表尾端：

　　在ArrayList中增加元素到队列尾端的代码如下：

public boolean add(E e){
   ensureCapacity(size+1);//确保内部数组有足够的空间
   elementData[size++]=e;//将元素加入到数组的末尾，完成添加
   return true;      
} 

 　　ArrayList中add()方法的性能决定于ensureCapacity()方法。ensureCapacity()的实现如下：

public vod ensureCapacity(int minCapacity){
  modCount++;
  int oldCapacity=elementData.length;
  if(minCapacity>oldCapacity){    //如果数组容量不足，进行扩容
      Object[] oldData=elementData;
      int newCapacity=(oldCapacity*3)/2+1;  //扩容到原始容量的1.5倍
      if(newCapacitty<minCapacity)   //如果新容量小于最小需要的容量，则使用最小
                                                    //需要的容量大小
         newCapacity=minCapacity ;  //进行扩容的数组复制
         elementData=Arrays.copyof(elementData,newCapacity);
  }
}

　　可以看到，只要ArrayList的当前容量足够大，add()操作的效率非常高的。只有当ArrayList对容量的需求超出当前数组大小时，才需要进行扩容。扩容的过程中，会进行大量的数组复制操作。而数组复制时，最终将调用System.arraycopy()方法，因此add()操作的效率还是相当高的。

　　LinkedList 的add()操作实现如下，它也将任意元素增加到队列的尾端：

public boolean add(E e){
   addBefore(e,header);//将元素增加到header的前面
   return true;
}

　　其中addBefore()的方法实现如下：

private Entry<E> addBefore(E e,Entry<E> entry){
     Entry<E> newEntry = new Entry<E>(e,entry,entry.previous);
     newEntry.provious.next=newEntry;
     newEntry.next.previous=newEntry;
     size++;
     modCount++;
     return newEntry;
}

　　可见，LinkeList由于使用了链表的结构，因此不需要维护容量的大小。从这点上说，它比ArrayList有一定的性能优势，然而，每次的元素增加都需要新建一个Entry对象，并进行更多的赋值操作。在频繁的系统调用中，对性能会产生一定的影响。

　　（2）增加元素到列表任意位置

　　除了提供元素到List的尾端，List接口还提供了在任意位置插入元素的方法：void add(int index,E element);

　　由于实现的不同，ArrayList和LinkedList在这个方法上存在一定的性能差异，由于ArrayList是基于数组实现的，而数组是一块连续的内存空间，如果在数组的任意位置插入元素，必然导致在该位置后的所有元素需要重新排列，因此，其效率相对会比较低。

　　以下代码是ArrayList中的实现：

public void add(int index,E element){
   if(index>size||index<0)
      throw new IndexOutOfBoundsException(
        "Index:"+index+",size: "+size);
         ensureCapacity(size+1);
         System.arraycopy(elementData,index,elementData,index+1,size-index);
         elementData[index] = element;
         size++;
} 

　　可以看到每次插入操作，都会进行一次数组复制。而这个操作在增加元素到List尾端的时候是不存在的，大量的数组重组操作会导致系统性能低下。并且插入元素在List中的位置越是靠前，数组重组的开销也越大。

　　而LinkedList此时显示了优势：

public void add(int index,E element){
   addBefore(element,(index==size?header:entry(index)));
}

　　可见，对LinkedList来说，在List的尾端插入数据与在任意位置插入数据是一样的，不会因为插入的位置靠前而导致插入的方法性能降低。

　　（3）删除任意位置元素

　　对于元素的删除，List接口提供了在任意位置删除元素的方法：

public E remove(int index);

　　对ArrayList来说，remove()方法和add()方法是雷同的。在任意位置移除元素后，都要进行数组的重组。ArrayList的实现如下：

public E remove(int index){
   RangeCheck(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;
     return oldValue;
}

　　可以看到，在ArrayList的每一次有效的元素删除操作后，都要进行数组的重组。并且删除的位置越靠前，数组重组时的开销越大。

public E remove(int index){
  return remove(entry(index));         
}
private Entry<E> entry(int index){
  if(index<0 || index>=size)
      throw new IndexOutBoundsException("Index:"+index+",size:"+size);
      Entry<E> e= header;
      if(index<(size>>1)){//要删除的元素位于前半段
         for(int i=0;i<=index;i++)
             e=e.next;
     }else{
         for(int i=size;i>index;i--)
             e=e.previous;
     }
         return e;
}

　　在LinkedList的实现中，首先要通过循环找到要删除的元素。如果要删除的位置处于List的前半段，则从前往后找；若其位置处于后半段，则从后往前找。因此无论要删除较为靠前或者靠后的元素都是非常高效的；但要移除List中间的元素却几乎要遍历完半个List，在List拥有大量元素的情况下，效率很低。

　　（4）容量参数

　　容量参数是ArrayList和Vector等基于数组的List的特有性能参数。它表示初始化的数组大小。当ArrayList所存储的元素数量超过其已有大小时。它便会进行扩容，数组的扩容会导致整个数组进行一次内存复制。因此合理的数组大小有助于减少数组扩容的次数，从而提高系统性能。

public  ArrayList(){
  this(10);  
}
public ArrayList (int initialCapacity){
   super();
   if(initialCapacity<0)
       throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity:"+initialCapacity)
      this.elementData=new Object[initialCapacity];
}

　　ArrayList提供了一个可以制定初始数组大小的构造函数：

public ArrayList(int initialCapacity) 

　　现以构造一个拥有100万元素的List为例，当使用默认初始化大小时，其消耗的相对时间为125ms左右，当直接制定数组大小为100万时，构造相同的ArrayList仅相对耗时16ms。

　　（5）遍历列表

　　遍历列表操作是最常用的列表操作之一，在JDK1.5之后，至少有3中常用的列表遍历方式：forEach操作，迭代器和for循环。

String tmp;
long start=System.currentTimeMills();    //ForEach 
for(String s:list){
    tmp=s;
}
System.out.println("foreach spend:"+(System.currentTimeMills()-start));
start = System.currentTimeMills();
for(Iterator<String> it=list.iterator();it.hasNext();){    
   tmp=it.next();
}
System.out.println("Iterator spend;"+(System.currentTimeMills()-start));
start=System.currentTimeMills();
int size=;list.size();
for(int i=0;i<size;i++){                     
    tmp=list.get(i);
}
System.out.println("for spend;"+(System.currentTimeMills()-start));

　　构造一个拥有100万数据的ArrayList和等价的LinkedList，使用以上代码进行测试，测试结果的相对耗时如下表所示：

                              　　　　　　　　　　

　　可以看到，最简便的ForEach循环并没有很好的性能表现，综合性能不如普通的迭代器，而是用for循环通过随机访问遍历列表时，ArrayList表项很好，但是LinkedList的表现却无法让人接受，甚至没有办法等待程序的结束。这是因为对LinkedList进行随机访问时，总会进行一次列表的遍历操作。性能非常差，应避免使用。

　　（6）空间复杂度
　　在LinkedList中有一个私有的内部类，定义如下：

private static class Entry {   
    Object element;   
    Entry next;   
    Entry previous;   
}  

　　每个Entry对象reference列表中的一个元素，同时还有在LinkedList中它的上一个元素和下一个元素。一个有1000个元素的LinkedList对象将有1000个链接在一起的Entry对象，每个对象都对应于列表中的一个元素。这样的话，在一个LinkedList结构中将有一个很大的空间开销，因为它要存储这1000个Entity对象的相关信息。
　　ArrayList使用一个内置的数组来存储元素，这个数组的起始容量是10.当数组需要增长时，新的容量按如下公式获得：新容量=(旧容量*3)/2+1，也就是说每一次容量大概会增长50%。这就意味着，如果你有一个包含大量元素的ArrayList对象，那么最终将有很大的空间会被浪费掉，这个浪费是由ArrayList的工作方式本身造成的。如果没有足够的空间来存放新的元素，数组将不得不被重新进行分配以便能够增加新的元素。对数组进行重新分配，将会导致性能急剧下降。如果我们知道一个ArrayList将会有多少个元素，我们可以通过构造方法来指定容量。我们还可以通过trimToSize方法在ArrayList分配完毕之后去掉浪费掉的空间。

　　（7）总结
　　ArrayList和LinkedList在性能上各有优缺点，都有各自所适用的地方，总的说来可以描述如下：
　　1．对ArrayList和LinkedList而言，在列表末尾增加一个元素所花的开销都是固定的。对ArrayList而言，主要是在内部数组中增加一项，指向所添加的元素，偶尔可能会导致对数组重新进行分配；而对LinkedList而言，这个开销是统一的，分配一个内部Entry对象。
　　2．在ArrayList的中间插入或删除一个元素意味着这个列表中剩余的元素都会被移动；而在LinkedList的中间插入或删除一个元素的开销是固定的。
　　3．LinkedList不支持高效的随机元素访问。
　　4．ArrayList的空间浪费主要体现在在list列表的结尾预留一定的容量空间，而LinkedList的空间花费则体现在它的每一个元素都需要消耗相当的空间

　　可以这样说：当操作是在一列数据的后面添加数据而不是在前面或中间,并且需要随机地访问其中的元素时,使用ArrayList会提供比较好的性能；当你的操作是在一列数据的前面或中间添加或删除数据,并且按照顺序访问其中的元素时,就应该使用LinkedList了。