【2023】ArrayList和LinkedList详解介绍对比

一、ArrayList

1、概述

        ArrayList是实现了List接口的动态数组，所谓动态数组就是他的大小是可变的。实现了所有可选列表操作，并允许包括Null在内的所有元素。除了实现 List 接口外，此类还提供一些方法来操作内部用来存储列表的数组的大小。

        每个ArrayList实例都有一个容量，该容量是指用来存储列表元素的数组的大小。默认初始容量是10。默认初始容量为10。随着ArrayList中元素的增加，它的容量也会不断的自动增长。在每次添加元素时，ArrayList都会检查是否需要进行扩容操作，扩容操作带来数据向新数组的重新拷贝，所以如果我们知道具体业务数据量，在构造ArrayList时，可以给ArrayList 指定一个初始容量，这样就会减少扩容时的拷贝问题。当然在添加大量元素前，应用程序也可以使用ensureCapacity操作来增加ArrayList实例的容量，这可以减少递增式再分配的数量。

2、源码分析

ArrayList是实现List接口的，底层采用数组实现，所以它的操作基本上都是基于对数组的操作。

2.1、构造函数

• ArrayList()：默认构造函数，提供初始容量为10的空列表。
• ArrayList(int initialCapacity)：构造一个具有指定初始容量的空列表。
• ArrayList(Collection c)：构造一个包含指定 collection 的元素的列表，这些元素是按照该 collection的迭代器返回它们的顺序排列的。

    /**
     * 构造一个具有指定初始容量的空列表。
     */
    public ArrayList(int initialCapacity) {
        if (initialCapacity > 0) {
            this.elementData = new Object[initialCapacity];
        } else if (initialCapacity == 0) {
            this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
        } else {
            throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+
                                               initialCapacity);
        }
    }

    /**
     * 构造一个初始容量为 10 的空列表
     */
    public ArrayList() {
        this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;    //不会立刻创建数组，会在第一次add()时才会创建
    }

    /**
     * 构造一个包含指定 collection 的元素的列表，这些元素是按照该 collection 
     * 的迭代器返回它们的顺序排列的。
     */
    public ArrayList(Collection c) {
        Object[] a = c.toArray();
        if ((size = a.length) != 0) {
            if (c.getClass() == ArrayList.class) {
                elementData = a;
            } else {
                elementData = Arrays.copyOf(a, size, Object[].class);
            }
        } else {
            // replace with empty array.
            elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
        }
    }

2.2、常用方法

 ArrayList提供了add(E e)、add(int index, E element)、addAll(Collection c)、addAll(int index, Collection c)、set(int index, E element)这个五个方法来实现ArrayList增加。

• add()：单个插入数据

    public boolean add(E e) {
        ensureCapacityInternal(size + 1);  // 验证是否需要扩容
        elementData[size++] = e;   //往数组最后的位置赋值
        return true; 
    }




    public void add(int index, E element) {
        rangeCheckForAdd(index);    //判断索引位置是否正确

        ensureCapacityInternal(size + 1);  // 验证是否需要扩容
         /*
         * 对源数组进行复制处理（位移），从index + 1到size-index。
         * 主要目的就是空出index位置供数据插入，
         * 即向右移动当前位于该位置的元素以及所有后续元素。 
         */
        System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,
                         size - index);  
        //给指定下标的位置赋值
        elementData[index] = element;
        size++;
    }

在这个方法中最根本的方法就是System.arraycopy()方法，该方法的根本目的就是将index位置空出来以供新数据插入，这里需要进行数组数据的右移，这是非常麻烦和耗时的，所以一般不建议使用该方式添加元素。如果需要向指定中间位置进行大量插入（中间插入）操作，推荐使用LinkedList。

• addAll()：批量插入数据

    public boolean addAll(Collection c) {
        Object[] a = c.toArray();  //将集合c 转换成数组
        int numNew = a.length;  
        ensureCapacityInternal(size + numNew);  // 扩容(当前集合长度+c集合长度)

        //同上，主要是采用该方法把C集合转为数组后的数据进行复制在插入到当前集合的末尾
        System.arraycopy(a, 0, elementData, size, numNew);   
        size += numNew;
        return numNew != 0;
    }


    public boolean addAll(int index, Collection c) {
        rangeCheckForAdd(index);  //判断下标位置是否正确

        Object[] a = c.toArray();
        int numNew = a.length;
        ensureCapacityInternal(size + numNew);  // 扩容(当前集合长度+c集合长度)
 
        int numMoved = size - index;
//       如果位置不是集合尾部，则需要先把数据向右移动指定长度(添加数据的长度)
        if (numMoved > 0)
            System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + numNew,
                             numMoved);
//       然后再把数据加入到指定下标位置
        System.arraycopy(a, 0, elementData, index, numNew);
        size += numNew;
        return numNew != 0;
    }

        这个方法无非就是使用System.arraycopy()方法将C集合(先准换为数组)里面的数据复制到elementData数组中。这里就稍微介绍下System.arraycopy()，因为下面还将大量用到该方法。

        该方法的原型为：public static void arraycopy(Object src, int srcPos, Object dest, int destPos, int length)。它的根本目的就是进行数组元素的复制。

        即从指定源数组中复制一个数组，复制从指定的位置开始，到目标数组的指定位置结束。将源数组src从srcPos位置开始复制到dest数组中，复制长度为length，数据从dest的destPos位置开始粘贴。

• get():查找指定下标的元素

        public E get(int index) {
            rangeCheck(index);
            checkForComodification();
            return ArrayList.this.elementData(offset + index);
        }

ArrayList提供了get(int index)用读取ArrayList中的元素。由于ArrayList是动态数组，所以我们完全可以根据下标来获取ArrayList中的元素，所以他的时间复杂度是O(1);存/取的速度是还是比较快的。但如果是查找，插入和删除元素效率就不会太高，因为他们需要去一个一个遍历出结果来进行对比。所以时间复杂度会为O(n)。

2.3、扩容

        在上面的新增方法的源码中我们发现每个方法中都存在这个方法：ensureCapacity()，该方法就是ArrayList的扩容方法。在前面就提过ArrayList每次新增元素时都会需要进行容量检测判断，若新增元素后元素的个数会超过ArrayList的容量，就会进行扩容操作来满足新增元素的需求。

        所以如果当我们清楚知道业务数据量或者需要插入大量元素前，我们可以使用再创建集合时直接指定容量大小，或者通过ensureCapacity来手动增加ArrayList实例的容量，以减少递增式再分配的数量。

• 源码实现：

   //minCapacity ：所需的最小容量
 private void grow(int minCapacity) {
        // 集合长度
        int oldCapacity = elementData.length;
        int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);   //增加原来的1.5倍
//        判断所需要的最小容量大于增加原来的1.5倍的长度，则容量扩大为minCapacity
        if (newCapacity - minCapacity < 0)  
            newCapacity = minCapacity;
        if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)  //判断是否会大于虚拟机的最大容量
            newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
        // 拷贝数组
        elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
    }

扩容逻辑为： 

• 调用无参ArrayList()时，初始容量是0；调用有参时，会是你给的参数大小；调用集合会是集合的大小
• 当添加元素时就会进行扩容，会扩容一个10个容量的数组，当集合元素到10个时，会进行第二次扩容，第二次扩容会扩容到上一个数组长度的1.5倍（底层逻辑为：15>>1=7+15=22）先右移移位在加上原来的数组长度，

二、LinkedList

1、概述

Linkedlist基于链表的动态数组（双向链表）：

• 可以被当作堆栈（后进先出）、队列（先进先出）或双端队列进行操作。
• 数据添加删除效率高，只需要改变指针指向即可，但是访问数据的平均效率低，需要对链表进行遍历。 非同步，线程不安全。
• 支持null元素、有顺序、元素可以重复
• 不要使用普通for循环去遍历LinkedList，使用迭代器或者foreach循环（foreach循环的原理就是迭代器）去遍历LinkedList即可：
• 这种方式是直接按照地址去找数据的，将会大大提升遍历LinkedList的效率。

2、单向链表和双向链表

2.1、单向链表

• 链表的每个元素称之为结点(Node)
• 物理存储单元上，非连续、非顺序的存储结构

data：数据域，存储数据

next：指针域，指向下一个结点的存储位置

时间复杂度分析：

查询操作

• 只有在查询头结点的时候不需要遍历链表，时间复杂度是O(1)；
• 查询其他结点需要遍历链表，时间复杂度是O(n)；

新增和删除时间复杂度

• 只有在添加和删除头节点的时候不需要遍历链表，时间复杂度是O(1)；
• 添加或删除其他节点需要遍历链表找到对应节点后，才能完成新增或删除节点，时间复杂度是O(n)；

 2.2、双向链表

而双向链表，顾名思义，就是支持两个方向：

• 每个结点不止有一个后续指针next指向后面的结点
• 有一个前驱指针prev指向前面的结点

当需要获取前一个结点时，只需要调用prev就行，调取后一个结点则只需要调用next指针就行

对比单向链表 ：

• 双向链表需要额外的两个空间来存储后续结点和前驱节点的地址
• 支持双向遍历，这样使得双向链表操作更加灵活

时间复杂度分析：

查询：

• 查询头尾结点的时间复杂度是O(1)
• 平均的查询时间复杂度是O(n)
• 给定结点找前驱结点的时间复杂度为O(1);

增删：

• 头尾结点增删的时间复杂度是O(1)
• 其他部分结点的增删时间复杂度是O(n)
• 给定结点增删的时间复杂度为O(1);

三、ArrayList和LinkedList的区别

1、底层数据存储结构对比

•  ArrayList是基于动态数组的数据结构，存储为连续内存
• LinkedList是基于双向链表的数据结构，内存存储上是非连续的

2、操作数据效率：

• 查找：查找对比ArrayList因为底层是基于数组连续性的，实现了一个叫RandomAccess的接口，使得在查找时，会依据下标通过寻址公式进行查找；而LinkedList底层是双向链表，就没有实现该接口，在查找元素时，就只能采用next()迭代器一个一个去迭代寻找
• 增删：ArrayList尾部插入性能较快，而其他部分插入性能就会比较慢，因为在前面的位置插入时，每个数组元素都要向后移动移位；而LinkedList因为是链表结构头部、尾部插入删除时，不需要查找定位，删除添加时不牵扯其他元素，只需要修改指针指向就行，所有较快，但如果是中间元素的删除修改时，需要先定位到要修改的元素的位置，而定位比较耗费时间，所有性能相当于来说会更慢。
• 但如果查找的是未知索引，则ArrayList也需要遍历，时间复杂度上就都会是O(n)

3、内存空间占用：

• ArrayList底层因为是数组，内存连续，节省内存
• LinkedList是双向链表需要存储数据和两个指针，更占内存
• 而且ArrayList可以利用cpu缓冲的局部性原理，所有在进行加载时会一次性加载相邻的元素，到cpu的缓冲里面，内存读取就可以先到cpu缓冲里去读取，这样可以有效的提高执行效率，而LinkedList是链表型的，元素之间只是用指针指向，不一定会相邻，所以没法有效的利用该特性

4、线程安全：

• ArrayList和LinkedList都不是线程安全
• 如果需要实现线程安全可以通过Collections.synchronizedList()进行包裹创建
  • Collections.synchronizedList(new LinkedList<>())
  • Collections.synchronizedList(new ArrayList<>())