Java基础(一)-ArrayList和LinkedList性能对比与原因探索

今天学习的时候，看到一篇文章，说LinkedList的作者自己不用LinkedList，感觉十分的吃惊。

本着实践出真知的态度，立刻写了几行代码用于测试ArrayList和LinkedList的在增删查改四大方面的性能对比(测试所有代码放在文末)。经过一番测试后，我得到了如下的对比图（由于随即插入，查找，删除，修改等操作LinkedList的时间简直慢得令人发指，因此只测试了在大量数据情况下对少量数据的更改操作）：

有意思的是，在我们学习数组和链表上，经常有如下结论：

• 数组随机访问快，但随即插入删除较慢；

• 链表插入快，但随机访问速率较慢；

• 数组适合查询频繁的需求，而链表适合用于增删频繁的场景；

但是观察实际测试的结果，ArrayList除了在尾插上和LinkedList几乎不相上下的速度，在其他方面速度几乎可以说是吊打LinkedList。

遂决定翻阅LinkedList和ArrayList源码，查看他们的具体实现逻辑，找出他们性能差异较大的原因。

LinkedList源码探索

LinkedList底层是用双向链表实现的，他包含一个记录链表长度的属性size，一个记录首节点的指针first和一个记录尾节点的指针last。并包含一个继承自AbstractSequentialList的属性modCount，用于记录对LinkedList的size造成改变的操作次数。

LinkedList中增删查改方法的实现逻辑如下：

ArrayList源码探索

ArrayList的底层使用Object[]实现，下面详细讲讲ArrayList中比较重要的一些问题

ArrayList中的属性

在ArrayList中包含几个特殊属性，他们在ArrayList的初始化和ArrayList的最大容量限定上起着很大作用，下面具体解析一下ArrayList中的几大属性:

• DEFAULT_CAPACITY ：数组默认初始化容量，在ArrayList中初始化大小为10；
• EMPTY_ELEMENTDATA：用于空实例的共享空数组实例。当初始化一个ArrayList时（尚未往ArrayList中添加元素），使用EMPTY_ELEMENTDATA为初始化数组；
• DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA：用于默认大小的空实例的共享空数组实例， 将此与 EMPTY_ELEMENTDATA 区分开来，以了解添加第一个元素时要膨胀多少。当初始化一个默认容量的ArrayList时，使用该数组（数组原长度为0，当往里面添加第一个元素时，size膨胀为默认容量10）；
• elementData：实际存储数组；
• size：数组中含有元素个数；
• MAX_ARRAY_SIZE （ = Integer.MAX_VALUE - 8）：定义了ArrayList的最大容量。由于索引是int类型，因此数组最大值最大为2^31 - 1（即Integer.MAX_VALUE）。但由于部分VMs除了要存储自身数据外还需要最多32bytes来存储对象头信息，因此需要减8(8位int即32bytes)

ArrayList中的方法实现

ArrayList中主要初始化及增删查改实现逻辑如下：

**ArrayList的扩容：**在往ArrayList中插入数据时，有可能导致ArrayList发生扩容。当当前数组容量不足以存储所有数据时，会触发ArrayList的grow()方法进行扩容。默认扩容为原数组的1.5倍。若扩容后仍不足以存储所有数据，则扩容置所需的最小容量。若扩容后大于ArrayList最大容量MAX_ARRAY_SIZE。则扩容至Integer.MAX_VALUE（注：这里没有预留32位存储对象头信息，因此对部分VMs可能导致溢出）。

ArrayList的整体思维导图如下：

总结

在LinkedList中进行随机插入和删除，查询，修改操作都需要先折半遍历链表（时间复杂度为O(n)），而在ArrayList中查询和修改只需要O(1)时间。在删除和随机插入需要对数组进行线性时间操作，因此其性能较LinkedList更高。此外，由于对ArrayList进行插入时，可能会导致扩容问题，在扩容时需要对数组进行全量复制到新数组中，较为影响性能。因此在实际中我们可以先估算ArrayList的大概容量，提前分配，减少其扩容花费时间。
（需要思维导图文件请私信）

下面是测试所用代码

package com.thread.demo.listCompare;

import java.util.ArrayList;
import java.util.LinkedList;
import java.util.List;
import java.util.Random;

/**
 * //TODO 添加类/接口功能描述
 *
 * @author Sc_Cloud
 * 
date 2022-03-17
 */
public class listCom {
    //LinkedList和ArrayList性能对比
    public static void main(String[] args){

        //System.out.println( "" + (4 >> 1) );

        //初始化两列表
        ArrayList arrayList = new ArrayList<>();
        LinkedList linkedList = new LinkedList<>();

        //尾部插入增操作性能对比
        //1.ArrayList增加操作
        long preTime = System.currentTimeMillis();
        for(int i = 0;i < 10000000 ; ++i){
            arrayList.add(i);
        }
        long afterTime = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("ArrayList 增加10000000个元素总用时(ms):" + (afterTime - preTime));

        //1.ArrayList增加操作
        preTime = System.currentTimeMillis();
        for(int i = 0;i < 10000000 ; ++i){
            linkedList.add(i);
        }
        afterTime = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("LinkedList 增加10000000个元素总用时(ms):" + (afterTime - preTime) + "\n");

        //随机插入增操作性能对比
        //1.ArrayList增加操作
        List listRandom = new ArrayList<>();
        Random random = new Random();
        for(int i = 0 ; i < 10000 ; ++i){
            listRandom.add(random.nextInt(9999999));
        }

        preTime = System.currentTimeMillis();
        for(int i = 0;i < 100 ; ++i){
            arrayList.add(listRandom.get(i),i);
        }
        afterTime = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("ArrayList 随机插入100个元素总用时(ms):" + (afterTime - preTime));

        //1.ArrayList增加操作
        preTime = System.currentTimeMillis();
        for(int i = 0;i < 100 ; ++i){
            linkedList.add(listRandom.get(i),i);
        }
        afterTime = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("LinkedList 随机插入100个元素总用时(ms):" + (afterTime - preTime) + "\n");

        //查性能对比
        //为避免长生随机数可能造成的差异，这里先生成一个随机数列表，并随机查询
        listRandom = new ArrayList<>();
        random = new Random();
        for(int i = 0 ; i < 100 ; ++i){
            listRandom.add(random.nextInt(9999999));
        }

        //1.ArrayList查询操作
        preTime = System.currentTimeMillis();
        for(int i:listRandom){
            arrayList.get(i);
        }
        afterTime = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("ArrayList 查找100个元素所用时(ms):" + (afterTime - preTime));

        //2.LinkedList查询操作
        preTime = System.currentTimeMillis();
        for(int i:listRandom){
            linkedList.get(i);
        }
        afterTime = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("LinkedList 查找100个元素所用时(ms):" + (afterTime - preTime) + "\n");

        //删性能对比
        //重新生成一串随机数列，排除缓存影响
        listRandom.clear();
        for(int i = 0 ; i < 100 ; ++i){
            listRandom.add(random.nextInt(9999900));
        }

        //1.ArrayList删除操作
        preTime = System.currentTimeMillis();
        for(int i : listRandom){
            arrayList.remove(i);
        }
        afterTime = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("ArrayList 删除100个元素所用时(ms):" + (afterTime - preTime));

        //2.LinkedList删除操作
        preTime = System.currentTimeMillis();
        for(int i : listRandom){
            linkedList.remove(i);
        }
        afterTime = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("LinkedList 删除100个元素所用时(ms):" + (afterTime - preTime) + "\n");

        //改性能对比
        //重新生成一串随机数列，排除缓存影响
        listRandom.clear();
        for(int i = 0 ; i < 100 ; ++i){
            listRandom.add(random.nextInt(9999900));
        }

        //1.ArrayList修改操作
        preTime = System.currentTimeMillis();
        for(int i : listRandom){
            arrayList.set(i,i);
        }
        afterTime = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("ArrayList 修改100个元素所用时(ms):" + (afterTime - preTime));

        //2.LinkedList修改操作
        preTime = System.currentTimeMillis();
        for(int i : listRandom){
            linkedList.set(i,i);
        }
        afterTime = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("LinkedList 修改100个元素所用时(ms):" + (afterTime - preTime) + "\n");
    }

}